RU2716633C2 - Винтовая турбина - Google Patents
Винтовая турбина Download PDFInfo
- Publication number
- RU2716633C2 RU2716633C2 RU2018106605A RU2018106605A RU2716633C2 RU 2716633 C2 RU2716633 C2 RU 2716633C2 RU 2018106605 A RU2018106605 A RU 2018106605A RU 2018106605 A RU2018106605 A RU 2018106605A RU 2716633 C2 RU2716633 C2 RU 2716633C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- screw
- grooves
- turbine
- pressure chamber
- sleeve
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
- F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
- F01D1/00—Non-positive-displacement machines or engines, e.g. steam turbines
- F01D1/34—Non-positive-displacement machines or engines, e.g. steam turbines characterised by non-bladed rotor, e.g. with drilled holes
- F01D1/38—Non-positive-displacement machines or engines, e.g. steam turbines characterised by non-bladed rotor, e.g. with drilled holes of the screw type
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Control Of Turbines (AREA)
- Transmission Devices (AREA)
Abstract
Изобретение относится к машиностроению, преимущественно к двигателестроению, а именно к газовым турбинам малых размеров (микротурбинам), и может использоваться как составная часть газотурбинных двигателей, газотурбинных установок, парогазовых установок, а также в качестве малогабаритного высокооборотного пневмодвигателя. В корпусе турбины, включающей камеру высокого давления, направляющее устройство и камеру низкого давления, на подшипниках установлен многозаходный винт. Корпус выполнен в виде установленной с радиальным зазором относительно винта втулки, на внутренней поверхности которой выполнены либо винтовые канавки противоположного с винтом направления, либо кольцевые канавки, глубина которых увеличивается в направлении камеры низкого давления. Задачей изобретения является упрощение конструкции и технологии изготовления винтовой турбины, а также повышение ее коэффициента полезного действия. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.
Description
Изобретение относится к машиностроению, преимущественно к двигателестроению, а именно к газовым турбинам малых размеров (микротурбинам), которые могут использоваться как составная часть газотурбинных двигателей, газотурбинных установок, парогазовых установок, а также в качестве малогабаритных высокооборотных пневмодвигателей. Наиболее перспективно применение предлагаемых микротурбин в качестве привода электрогенератора в работающих на паре автономных теплоэлектростанциях малой мощности, в частности, для индивидуальных домов или фермерских хозяйств, а также в составе электроэнергетической установки в гибридных транспортных средствах, работающих на любом жидком или газообразном топливе.
Значительная доля электроэнергии в мире вырабатывается на тепловых электростанциях, работающих на перегретом паре, с помощью лопастных турбин. Для улучшения процесса передачи энергии нагретого пара на ротор турбины применяется многоступенчатая конструкция ротора с большим количеством лопастей в каждой ступени. С целью повышения теплостойкости и прочности лопаток турбины используются дорогостоящие сплавы с применением редкоземельных материалов. Такие решения позволяют достигать электрического коэффициента полезного действия (КПД) порядка 40-50 %, однако приводят к весьма высокой стоимости как паровых, так и газовых турбин.
Лопастные турбины малых размеров, оставаясь довольно сложными и дорогими, не могут достигнуть такого КПД. Известны одноступенчатые газотурбинные двигатели малых размеров (микротурбины) американской фирмы Capstone, работающие на жидком или газообразном топливе. Фирма серийно производит турбины мощностью 15, 30, 65 и 200 кВт, которые в основном используются для автономных теплоэлектростанций. Турбины мощностью 65 и 200 кВт могут собираться в кластеры до 1000 кВт. При этом электрический КПД микротурбин Capstone находится в диапазоне 20-30 % и уменьшается с повышением температуры окружающей среды. Возможно использование микротурбин в гибридных транспортных средствах. Фирмой Capstone был представлен гибридный электрический спорткар СМТ-380, а в 2009 г. совместно с британской фирмой Landford на базе семиместного кроссовера Ford S-Max был разработан последовательный гибрид Eco-Logic с использованием микротурбин С30. Были проведены показательные испытания этого гибрида, однако серийный выпуск так и не начался. Микротурбины С65 используются в гибридных автобусах. В частности, в России фирма "Тролза" в 2009 г. разработала и провела успешные испытания, названного Экобусом, гибридного автобуса Тролза-5250 на базе микротурбины С65. Было изготовлено несколько экземпляров Экобуса, но в серию он не пошел. Причиной, скорее всего, стала высокая стоимость турбин С65 и зависимость от их поставки из США.
Системным недостатком лопастных турбин являются ограничения в поднятии температуры газа и, соответственно, КПД, которые зависят от термостойкости и прочности лопастей при соответствующих окружных скоростях ротора. Кроме того у лопастных турбин имеют место большие потери рабочего тела через неплотности газовых стыков, что особенно сказывается при небольших скоростях и малом диаметре ротора турбины.
В стремлении избежать недостатков лопастных турбин предприняты попытки применить винтовые механизмы для реализации ротационного двигателя с непрерывным рабочим процессом.
Так, в соответствии с патентом RU 2155272 кл. F02B 55, F02B 53/08, предложен роторно-волновой двигатель. В корпусе двигателя, включающем впускное и выпускное окна, компрессорный и расширительный отсеки и камеру сгорания установлен под углом к оси корпуса ротор. Внутренняя поверхность корпуса и ротор имеют подобную конструкцию, а именно, выполнены в виде обращенных навстречу двух винтовых конусов, расположенных по одной оси. Двигатель содержит два опорных узла, каждый из которых содержит по две крейцкопфные пары и фрагмент коленчатого вала с опорными и выходной шейками, при этом выходная шейка связана с валом отбора мощности посредством поводкового механизма, снабженного противовесом. Возможно, что в единичных экземплярах будут достигнуты декларируемые преимущества, но ввиду очевидных конструктивных и технологических сложностей таких двигателей сомнительна экономическая целесообразность их серийного производства.
Известна также паровая винтовая машина по патенту RU 2118460, кл. F01D 1/38, содержащая корпус, внутри которого размещены камера высокого давления, камера низкого давления, полость с расположенными в ней двумя многозаходными винтами, находящимися в зацеплении и связанными между собой синхронизирующими шестернями, впускной и выпускной патрубки. Винты закреплены на валах, установленных в опорах. На базе паровых винтовых машин производятся малые серии тепловых электростанций мощностью от 250 до 1000 кВт. Однако, ввиду большой конструктивной и технологической сложности их цена и эксплуатационные расходы остаются довольно высокими. Не найдено технических решений использования винтовых машин с параллельными осями в качестве газотурбинных двигателей.
Наиболее близким предлагаемому решению является турбомашина по патенту SU 1776818 А1, кл. F01D 1/38, содержащая ротор и направляющее устройство, выполненные в виде барабанов с расположенными по окружности аксиально-наклонными канавками, заглушенными с внешних торцов. Ротор расположен с торцевым зазором относительно направляющего устройства (статора) и может быть выполнен в виде установленного на подшипниках многозаходного винта. Утверждается, что при подаче рабочего тела (сжатого воздуха или нагретого пара) и вращении ротора в каналах статора генерируется система стоячих акустических волн и возникает реактивная сила, окружная компонента которой создает крутящий момент на валу турбомашины. Недостатком данного решения является высокая конструктивная и технологическая сложность, а также технические ограничения, накладываемые требованиями по образованию стоячих акустических волн. В данном патенте не декларируется использование таких турбомашин в качестве газотурбинного двигателя.
Целью настоящего изобретения является упрощение конструкции и технологии изготовления турбины, что позволяет повысить ее надежность и срок службы. При этом снижаются затраты на изготовление и эксплуатацию. В отличие от лопастных турбин, при прочих равных условиях, особенности конструкции винтового ротора турбины дают возможность выдерживать более высокие обороты при увеличении рабочей температуры, что позволяет получать и более высокий КПД.
В соответствие с изобретением, технический результат достигается тем, что корпус турбины выполнен в виде втулки, внутри которой с минимальным радиальным зазором на подшипниках установлен многозаходный винт. На внутренней цилиндрической поверхности втулки выполнены либо винтовые канавки противоположного с винтом направления, либо кольцевые канавки, глубина которых увеличивается в направлении камеры низкого давления. Благодаря этим канавкам в зазоре между винтом (ротором) и неподвижной втулкой (корпусом) под действием движущегося рабочего тела интенсифицируется процесс турбулентного трения и, по сравнению с гладкой втулкой, существенно увеличивается количество энергии, передаваемой от рабочего тела ротору. Причем эффект передачи энергии, и соответственно скорость вращения ротора, нелинейно растет с увеличением температуры и давления на входе в турбину. Увеличение размеров кольцевых канавок во втулке в направлении камеры низкого давления позволяет осуществить продолженное расширение нагретого рабочего тела, что дополнительно увеличивает коэффициент передачи энергии ротору.
На фигуре 1 изображен продольный разрез винтовой турбины в исполнении корпуса турбины в виде втулки с винтовыми канавками. На фигуре 2 изображен продольный разрез винтовой турбины в исполнении корпуса турбины в виде втулки с кольцевыми канавками, глубина которых увеличивается в направлении камеры низкого давления. На фигуре 3 изображено сечение А-А по линии разъема.
Винтовая турбина содержит корпус 1, выполненный в виде втулки либо с винтовыми канавками (фиг. 1), либо с кольцевыми канавками (фиг. 2), многозаходный винт 2, установленный на валу 3, подшипниковый узел 4, уплотненную прокладкой 5, крышку 6, направляющее устройство 7 (фиг. 1), выполненное в виде лопастей, закрепленных на крышке 6, направляющее устройство 8 (фиг. 3), выполненное в виде соплового аппарата, штуцер 9 для подвода рабочего тела, камеру высокого давления 10, камеру низкого давления 11, штуцер 12 для отвода отработанного рабочего тела. Корпус 1 (фиг. 1) выполнен в виде, установленной с радиальным зазором относительно винта 2, втулки с нарезанной в ней многозаходной резьбой, имеющей направление противоположное направлению нарезок винта (если на винте левая резьба, то на втулке правая). Корпус 1 (фиг. 2) выполнен в виде, установленной с радиальным зазором относительно винта 2, втулки с кольцевыми канавками, глубина которых увеличивается в направлении камеры низкого давления 11.
Канавки на поверхностях винта и втулки винтовой турбины могут иметь различную форму, например, трапецеидальную, прямоугольную, треугольную. Однако, в соответствие с п. 4 формулы, предпочтительна форма канавок в виде полуокружностей с радиусом равным глубине канавок.
Винтовая турбина работает следующим образом. Через штуцер 9 рабочее тело (сжатый воздух, нагретый пар или нагретая газо-воздушная смесь) подается в камеру высокого давления 10. Направляющее устройство 7 или 8 поворачивает рабочее тело для придания потоку необходимого угла атаки по отношению к канавкам многозаходного винта 2. В зазоре между винтом 2 (ротором) и неподвижной втулкой 1 (корпусом) в результате турбулентного трения происходит преобразование кинетической и внутренней энергии рабочего тела в механическую работу на валу 3. Вал приходит в состояние быстрого вращения. Вал 3 многозаходного винта 2 может быть присоединен к различного рода устройствам в качестве их привода.
Claims (4)
1. Винтовая турбина, содержащая неподвижный корпус с установленным в нем на подшипниках многозаходным винтом, камеру высокого давления на входе, направляющее устройство и камеру низкого давления на выходе, отличающаяся тем, что корпус выполнен в виде установленной с радиальным зазором относительно винта втулки, снабженной канавками на ее внутренней поверхности.
2. Винтовая турбина по п. 1, отличающаяся тем, что канавки во втулке выполнены в виде многозаходной внутренней резьбы, направление которой противоположно направлению наружной многозаходной резьбы винта.
3. Винтовая турбина по п. 1, отличающаяся тем, что во втулке выполнены кольцевые канавки, глубина которых увеличивается в направлении камеры низкого давления.
4. Винтовая турбина по п. 1, отличающаяся тем, что профили канавок винта и втулки в нормальном сечении имеют форму полуокружностей с радиусом, равным глубине канавок.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2018106605A RU2716633C2 (ru) | 2018-02-22 | 2018-02-22 | Винтовая турбина |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2018106605A RU2716633C2 (ru) | 2018-02-22 | 2018-02-22 | Винтовая турбина |
Publications (3)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2018106605A3 RU2018106605A3 (ru) | 2019-08-22 |
RU2018106605A RU2018106605A (ru) | 2019-08-22 |
RU2716633C2 true RU2716633C2 (ru) | 2020-03-13 |
Family
ID=67733503
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2018106605A RU2716633C2 (ru) | 2018-02-22 | 2018-02-22 | Винтовая турбина |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2716633C2 (ru) |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2743777C1 (ru) * | 2020-05-20 | 2021-02-25 | Виктор Кузьмич Мазуров | Безлопастной микротурбинный двигатель |
Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU43427A1 (ru) * | 1934-09-30 | 1935-06-30 | А.А. Шершнев | Винтова турбина |
SU126748A1 (ru) * | 1958-06-16 | 1959-11-30 | А.И. Голубев | Лабиринтный насос |
RU2118460C1 (ru) * | 1995-04-25 | 1998-08-27 | Закрытое Акционерное Общество "Независимая Энергетика" | Паровая винтовая машина и способ преобразования тепловой энергии в механическую |
WO2005078240A1 (en) * | 2004-01-14 | 2005-08-25 | Elthom Enterprises Limited | Method of transforming energy in a rotary screw machine of volumetric type |
RU2305192C1 (ru) * | 2006-02-08 | 2007-08-27 | Виктор Феликсович Шмидт | Авиационная осевая двухсторонняя турбомашина (варианты) |
RU104969U1 (ru) * | 2010-12-28 | 2011-05-27 | Закрытое акционерное общество "МАЛЫЕ ПАРОВЫЕ МАШИНЫ" | Паровая винтовая машина |
RU2010145238A (ru) * | 2010-11-09 | 2012-05-27 | Николай Петрович Лебедев (UA) | Способ прогнозирования гидравлической энергии в механическую |
-
2018
- 2018-02-22 RU RU2018106605A patent/RU2716633C2/ru active
Patent Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU43427A1 (ru) * | 1934-09-30 | 1935-06-30 | А.А. Шершнев | Винтова турбина |
SU126748A1 (ru) * | 1958-06-16 | 1959-11-30 | А.И. Голубев | Лабиринтный насос |
RU2118460C1 (ru) * | 1995-04-25 | 1998-08-27 | Закрытое Акционерное Общество "Независимая Энергетика" | Паровая винтовая машина и способ преобразования тепловой энергии в механическую |
WO2005078240A1 (en) * | 2004-01-14 | 2005-08-25 | Elthom Enterprises Limited | Method of transforming energy in a rotary screw machine of volumetric type |
RU2305192C1 (ru) * | 2006-02-08 | 2007-08-27 | Виктор Феликсович Шмидт | Авиационная осевая двухсторонняя турбомашина (варианты) |
RU2010145238A (ru) * | 2010-11-09 | 2012-05-27 | Николай Петрович Лебедев (UA) | Способ прогнозирования гидравлической энергии в механическую |
RU104969U1 (ru) * | 2010-12-28 | 2011-05-27 | Закрытое акционерное общество "МАЛЫЕ ПАРОВЫЕ МАШИНЫ" | Паровая винтовая машина |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2018106605A3 (ru) | 2019-08-22 |
RU2018106605A (ru) | 2019-08-22 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN104196571B (zh) | 一种提高涡轮发动机效率的方法及其装置 | |
WO2021129431A1 (zh) | 一种冷热电三联供微型燃气轮机设备 | |
US20130097994A1 (en) | Multi-fluid turbine engine | |
EP2691623A1 (en) | A hot-air engine | |
RU2716633C2 (ru) | Винтовая турбина | |
WO2021088135A1 (zh) | 具有泽仑圆形状的腔体、流体工作装置以及发动机 | |
CN106948864A (zh) | 一种燃气螺管转子发动机动力装置 | |
RU2323344C1 (ru) | Турбогенератор | |
CA2933112A1 (en) | Compound cycle engine | |
RU2322588C1 (ru) | Газотурбинный двигатель | |
CN110725748B (zh) | 一种微型涡轮电混合分布式动力装置 | |
RU2424441C1 (ru) | Атомный турбовинтовой газотурбинный двигатель | |
CN109139234B (zh) | 带有中间冷却器的发动机组件 | |
KR102511792B1 (ko) | 사인 로터리 기관 | |
CN102926825A (zh) | 快启动汽轮机组及其运行工艺 | |
RU2745153C1 (ru) | Паророторная электрогенерирующая установка | |
WO2016201551A1 (en) | Compound engine assembly with exhaust pipe nozzle | |
CN106593538B (zh) | 涡旋发动机 | |
US10003239B1 (en) | Doubly-fed induction generator system for a gas turbine | |
RU125624U1 (ru) | Турбина романова | |
RU2724378C2 (ru) | Газотурбинный двигатель, содержащий кожух с охлаждающими ребрами | |
CN110382869B (zh) | 涡轮泵 | |
RU2425243C1 (ru) | Атомный турбовинтовой газотурбинный двигатель | |
CN202937317U (zh) | 快启动汽轮机组 | |
GB2195400A (en) | Heat engine incorporating a rotary vane device |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
HE9A | Changing address for correspondence with an applicant |