RU2742711C2 - Radial birotational active-reactive turbine (variants) - Google Patents
Radial birotational active-reactive turbine (variants) Download PDFInfo
- Publication number
- RU2742711C2 RU2742711C2 RU2018116219A RU2018116219A RU2742711C2 RU 2742711 C2 RU2742711 C2 RU 2742711C2 RU 2018116219 A RU2018116219 A RU 2018116219A RU 2018116219 A RU2018116219 A RU 2018116219A RU 2742711 C2 RU2742711 C2 RU 2742711C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- rotor
- blades
- shaft
- rigidly
- working fluid
- 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
- F01D1/32—Non-positive-displacement machines or engines, e.g. steam turbines with pressure velocity transformation exclusively in rotor, e.g. the rotor rotating under the influence of jets issuing from the rotor, e.g. Heron turbines
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)
Abstract
Description
Изобретения относятся к машиностроению, а именно к турбинам и турбоустановкам на их основе для привода валов электрогенераторов, компрессоров, насосов и других устройств.The inventions relate to mechanical engineering, namely to turbines and turbine plants based on them for driving the shafts of electric generators, compressors, pumps and other devices.
В качестве рабочего тела в предлагаемой роторной радиальной активно-реактивной турбине может быть использован атмосферный сжатый воздух, а так же любое поддающееся сжатию газообразное вещество, например: водяной пар, углекислотный газ, продукты сгорания углеводородов, или других компонентов, и т.п.As a working fluid in the proposed rotary radial active-reactive turbine can be used atmospheric compressed air, as well as any compressible gaseous substance, for example: water vapor, carbon dioxide, combustion products of hydrocarbons, or other components, etc.
Анализ уровня техники конструкций известных осевых турбин показывает, что всем этим турбинам присущи существенные недостатки, а именно:An analysis of the prior art of known axial-flow turbine designs shows that all these turbines have significant disadvantages, namely:
- высокая сложность их конструкций;- high complexity of their designs;
- высокая сложность и стоимость их изготовления, эксплуатации и ремонта;- high complexity and cost of their manufacture, operation and repair;
- большие габаритные и массовые характеристики турбин из-за наличия в них большого количества рабочих и вспомогательных ступеней;- large overall and mass characteristics of turbines due to the presence of a large number of working and auxiliary stages;
- недостаточная мощность, в том числе и удельная;- insufficient power, including specific power;
- трудность обеспечения равнозначности характеристик ступеней турбины по мощности в процессе работы.- the difficulty of ensuring the equivalence of the characteristics of the turbine stages in terms of power during operation.
Эти недостатки обусловлены тем, что в осевых турбинах рабочее тело течет, как правило, вдоль их вала/валов, и поступает на лопатки рабочих колес фронтально, по нормали к рабочим колесам, при этом:These disadvantages are due to the fact that in axial turbines, the working fluid flows, as a rule, along their shaft / shafts, and enters the impeller blades frontally, along the normal to the impellers, while:
- на каждом рабочем колесе осевой турбины срабатывается не большой теплоперепад рабочего тела, что приводит к значительному увеличению количества рабочих колес, и, как следствие, к существенному увеличению габаритов, массы, и стоимости осевой турбины;- on each impeller of an axial turbine, a small heat drop of the working fluid is triggered, which leads to a significant increase in the number of impellers, and, as a consequence, to a significant increase in the dimensions, weight, and cost of the axial turbine;
- лопатки рабочих колес осевой турбины, вращающиеся с большой частотой разрезают («подрубают») поток рабочего тела, делая его течение не стационарным, не устойчивым, что приводит к существенным потерям энергии потока рабочего тела на каждой ступени турбины, и, как следствие, к снижению мощности турбины;- the blades of the impellers of an axial turbine, rotating at a high frequency, cut ("chop down") the flow of the working fluid, making its flow non-stationary, unstable, which leads to significant energy losses of the flow of the working fluid at each stage of the turbine, and, as a consequence, to decrease in turbine power;
- поток рабочего тела на входе в рабочее колесо осевой турбины распределяется по всей площади, описываемой лопатками, при этом вся энергия потока прикладывается ни к максимальному значению плеча лопаток рабочего колеса, а рассеивается по всей их длине, начиная от ступицы, и до конца лопатки, что приводит к уменьшению средне-интегрального значения момента вращения на валу турбины;- the flow of the working fluid at the inlet to the impeller of an axial turbine is distributed over the entire area described by the blades, while all the energy of the flow is applied neither to the maximum value of the shoulder of the impeller blades, but dissipates along their entire length, from the hub to the end of the blade, which leads to a decrease in the average integral value of the torque on the turbine shaft;
- лопатки рабочего колеса осевой турбины развернуты к входящему на них и выходящему из них потоку рабочего тела на определенные углы, что так же приводит к снижению момента вращения на валу рабочего колеса турбины из-за учета значения косинуса этих углов.- the blades of the impeller of an axial turbine are deployed to the flow of the working fluid entering and leaving them at certain angles, which also leads to a decrease in the torque on the shaft of the turbine impeller due to taking into account the value of the cosine of these angles.
Наряду с осевыми турбинами созданы конструкции радиальных турбин, в которых рабочее тело течет в плоскости, перпендикулярной оси турбины. Наиболее интересной и успешной из них является радиальная турбина, предложенная в 1912 г. в Швеции братьями Юнгстрем (представленная, например, см., «Юнгстрем - Большая Энциклопедия Нефти и Газа» (статья). [он-лайн] [найдено 02.04.2018]. Найдено из Интернет (ngpedia.ru > id625570p4.html), а так же, см. «Юнгстрем - Технический словарь Том VI». [он-лайн] [найдено 05.04.2018]. Найдено из Интернет (ai08.org>index.php/term…slovar-tom…yungstrem.html), а так же yandex.ru/images > радиальная паровая турбина Юнгстрема), на одной ступени которой срабатывается теплоперепад рабочего тела в четыре раза больший, чем на ступени осевой турбины, причем при одинаковом теплосодержании рабочего тела и при той же окружной скорости вращения.Along with axial turbines, designs of radial turbines have been created, in which the working fluid flows in a plane perpendicular to the axis of the turbine. The most interesting and successful of these is the radial turbine, proposed in 1912 in Sweden by the Jungström brothers (presented, for example, see “Jungström - The Great Encyclopedia of Oil and Gas” (article). [Online] [found 02.04.2018 ]. Found from the Internet (ngpedia.ru> id625570p4.html), and also see "Jungstrem - Technical Dictionary Volume VI". [Online] [found 05.04.2018]. Found from the Internet (ai08.org> index.php / term ... slovar-tom ... yungstrem.html), as well as yandex.ru/images> Jungstrem radial steam turbine), at one stage of which the heat drop of the working fluid is triggered four times greater than at the stage of an axial turbine, and at the same heat content of the working fluid and at the same peripheral speed of rotation.
Принципиальная схема этой турбины заключается в следующем. На боковой поверхности дисков колес кольцами постепенно возрастающего диаметра располагаются лопатки реактивных ступеней. Рабочее тело (пар) в турбину подводится по трубопроводу, и далее через отверстия в дисках направляется к центральной камере. Отсюда оно течет к периферии через каналы лопаток, укрепленных на обоих дисках. В турбине Юнгстрем нет неподвижных лопаток. Оба диска вращаются во встречных направлениях, так, что мощность, развиваемая турбиной, должна передаваться двумя валами. Встречное вращение роторов позволяет эту турбину выполнить очень компактной. Однако сложная конструкция и большие напряжения в лопатках (см., А.В. Щегляев "Паровые турбины", Энергия, Москва, 1976 г., стр. 9), а так же быстрое развитие сетей высоковольтных линий по всей стране, диспетчеризация снабжения электроэнергией всей страны, переброска излишней электроэнергии с Востока на Запад и обратно, заставили отказаться от развития и эксплуатации всех малых и средних паровых турбин, в том числе и турбин Юнгстрем. Развитие получили только сверхмощные осевые турбины.The schematic diagram of this turbine is as follows. On the lateral surface of the wheel disks, the blades of the jet stages are located in rings of gradually increasing diameter. The working fluid (steam) is supplied to the turbine through a pipeline, and then through the holes in the discs it is directed to the central chamber. From here, it flows to the periphery through the channels of the blades fixed on both discs. There are no stationary blades in the Jungstrom turbine. Both discs rotate in opposite directions, so that the power developed by the turbine must be transmitted by two shafts. The counter-rotation of the rotors allows this turbine to be made very compact. However, the complex design and high voltages in the blades (see, A.V. Shcheglyaev "Steam Turbines", Energia, Moscow, 1976, p. 9), as well as the rapid development of high-voltage line networks throughout the country, dispatching of electricity supply the entire country, the transfer of excess electricity from East to West and back, forced to abandon the development and operation of all small and medium steam turbines, including the Jungstrom turbines. Only super-powerful axial turbines were developed.
Конструктивно и функционально радиальная турбина Юнгстрем является ближайшим аналогом предлагаемой роторной радиальной активно-реактивной турбины.Structurally and functionally, the Jungstrom radial turbine is the closest analogue of the proposed rotary radial active-reactive turbine.
Основными существенными недостатками радиальной турбины Юнгстрема являются:The main significant disadvantages of the Jungstrom radial turbine are:
1. Сложность конструкции, обуславливающая сложность и высокую стоимость изготовления, эксплуатации и ремонта этой турбины.1. The complexity of the design, causing the complexity and high cost of manufacturing, operating and repairing this turbine.
2. Наличие двух разнонаправленно выходящих валов, что обуславливает использование дополнительного редуктора, особенно для привода винтов водных судов, работающим, как с реверсом, так и без него.2. The presence of two multidirectional shafts, which necessitates the use of an additional gearbox, especially for the drive of propellers of watercraft, operating both with reverse and without it.
3. Низкие обороты рабочих колес (рабочих дисков), не позволяющие использовать турбину без редуктора для привода валов компрессоров.3. Low revolutions of the impellers (working disks), which do not allow the use of a turbine without a gearbox to drive compressor shafts.
4. Осевая схема поступления рабочего тела на последовательно расположенные роторы обуславливает неравнозначные условия работы и рабочие характеристики этих роторов, что в свою очередь требует применения дросселирующего устройства.4. The axial flow of the working fluid to the rotors located in series causes unequal operating conditions and performance characteristics of these rotors, which in turn requires the use of a throttling device.
5. В турбине используются сложные лабиринтные уплотнения.5. The turbine uses complex labyrinth seals.
6. В каналах рабочих лопаток происходит расширение рабочего тела, что не позволяет использовать работу турбины при низких давлениях рабочего тела, а так же снижает мощность ее работы при использовании рабочего тела со средним и высоким значением давления.6. In the channels of the rotor blades, the expansion of the working fluid occurs, which does not allow the use of the turbine at low pressures of the working fluid, and also reduces the power of its operation when using the working fluid with medium and high pressure.
Техническим результатом заявляемых роторных радиальных активно-реактивных турбин является повышение их абсолютной и удельной мощности за счет сжатия поступающего в нее рабочего тела в каналах закрытого центробежного колеса первого ротора с повышением давления и энтальпии рабочего тела, а так же за счет последующего тангенциально -радиального реактивного истечения рабочего тела со сверхзвуковой скоростью с периферии первого ротора через тангенциально установленные сопла Лаваля на профилированные лопатки ее второго ротора, установленного коаксиально с первым ротором, вращающегося относительно него в противоположную сторону на отдельном валу, и использующего кинетическую энергию потоков рабочего тела, истекающих из сопел Лаваля первого ротора.The technical result of the claimed rotary radial active-reactive turbines is to increase their absolute and specific power due to the compression of the working fluid entering it in the channels of the closed centrifugal wheel of the first rotor with an increase in pressure and enthalpy of the working fluid, as well as due to the subsequent tangential-radial reactive outflow of the working fluid at supersonic speed from the periphery of the first rotor through tangentially mounted Laval nozzles onto the profiled blades of its second rotor, installed coaxially with the first rotor, rotating relative to it in the opposite direction on a separate shaft, and using the kinetic energy of the working fluid flows outflowing from the Laval nozzles of the first rotor.
Для достижения указанного технического результата предложены технические решения, заключающиеся в следующем.To achieve the specified technical result, the proposed technical solutions are as follows.
В первом варианте технического решения роторная радиальная активно-реактивная турбина содержит корпус с трубопроводом, подводящим рабочее тело, при этом в корпусе установлены два ротора, жестко закрепленные, каждый на своем валу, с возможностью вращения в противоположные стороны в подшипниковых опорах за счет подачи рабочего тела на лопатки роторов, при этом ее первый ротор соединен коаксиально и подвижно с трубопроводом, подводящим рабочее тело, и выполнен в виде однопоточного закрытого центробежного колеса с профилированными лопатками, образующими закрытые центробежные каналы, жестко соединенного с корпусом полого коллектора торообразной формы, охватывающим коаксиально центробежное колесо по его периферии так, что выходные сечения центробежных каналов центробежного колеса герметично соединены с полостью коллектора, разделенной внутри поперечными перегородками на отдельные полости, с образованием рабочих камер, каждая из которых оснащена тангенциально установленным соплом Лаваля, при этом оба конца вала первого ротора связаны с соответствующими полезными нагрузками, а второй ротор выполнен в виде двух, установленных с двух сторон первого ротора, дисков с диаметром, превышающим диаметр первого ротора, соединенных жестко, каждый со своим валом и между собой по периферии лопатками, расположенными по окружности вокруг первого ротора, и выполненными в виде профилированных в поперечном сечении желобов, ось которых параллельна его валам, а своими торцами лопатки жестко закреплены по нормали и с заданным углом разворота относительно дисков второго ротора, с охватом сопел Лаваля первого ротора, при этом валы второго ротора расположены соосно и в противоположные стороны, коаксиально с валом первого ротора, причем один вал второго ротора установлен с упором на подшипниковую опору, закрепленную на корпусе трубопровода, а другой вал второго ротора установлен с упором на подшипниковую опору, закрепленную на корпусе турбины, и оба вала второго ротора связаны через соответствующие передачи с полезными нагрузками.In the first version of the technical solution, the rotor radial active-reactive turbine contains a housing with a pipeline supplying the working fluid, while the housing contains two rotors, rigidly fixed, each on its own shaft, with the possibility of rotation in opposite directions in bearing supports due to the supply of the working fluid on the rotor blades, while its first rotor is connected coaxially and movably with a pipeline supplying the working fluid, and is made in the form of a single-flow closed centrifugal wheel with profiled blades, forming closed centrifugal channels, rigidly connected to the body of a hollow collector of toroidal shape, covering the coaxially centrifugal wheel along its periphery so that the outlet sections of the centrifugal channels of the centrifugal wheel are hermetically connected to the collector cavity, divided inside by transverse partitions into separate cavities, to form working chambers, each of which is equipped with a tangentially installed Laval nozzle, when both ends of the first rotor shaft are connected to the corresponding payloads, and the second rotor is made in the form of two disks installed on both sides of the first rotor with a diameter exceeding the diameter of the first rotor, rigidly connected, each with its own shaft and with each other along the periphery by blades, located in a circle around the first rotor, and made in the form of grooves profiled in cross-section, the axis of which is parallel to its shafts, and with their ends the blades are rigidly fixed along the normal and with a given angle of rotation relative to the discs of the second rotor, with the coverage of the Laval nozzles of the first rotor, while the shafts of the second rotor are located coaxially and in opposite directions, coaxial with the shaft of the first rotor, and one shaft of the second rotor is installed with an emphasis on a bearing support fixed on the pipeline housing, and the other shaft of the second rotor is installed with an emphasis on a bearing support fixed on the turbine housing, and both shafts of the second rotor are connected through the corresponding transmissions with payloads.
Во втором варианте технического решения роторная радиальная активно-реактивная турбина содержит корпус с подводом в него рабочего тела, при этом в корпусе установлены два ротора, жестко закрепленные, каждый на своем валу, с возможностью вращения в противоположные стороны в подшипниковых опорах за счет подачи рабочего тела на лопатки роторов, при этом ее первый ротор соединен коаксиально и подвижно с расположенными в противоположные стороны трубопроводами, подводящими к нему рабочее тело с двух сторон, и состоит из двух идентичных, выполненных зеркально, жестко закрепленных на одном валу, и жестко соединенных между собой фланцами при помощи рамы кольцеобразной формы, однопоточных закрытых центробежных колес с профилированными лопатками, образующими закрытые центробежные каналы, жестко соединенных с соответствующими корпусами полых коллекторов торообразной формы, охватывающими коаксиально центробежные колеса по их периферии так, что выходные сечения центробежных каналов центробежных колес герметично соединены с полостями соответствующих коллекторов, разделенных внутри поперечными перегородками на отдельные полости, с образованием рабочих камер, каждая из которых оснащена тангенциально установленным соплом Лаваля, при этом оба конца вала первого ротора связаны с соответствующими полезными нагрузками, а второй ротор выполнен в виде двух, установленных с двух сторон первого ротора, дисков с диаметром, превышающим диаметр первого ротора, соединенных жестко, каждый со своим валом и между собой по периферии лопатками, жестко скрепленными разделительным силовым кольцом, расположенными по окружности вокруг первого ротора, и выполненными в виде профилированных в поперечном сечении желобов, ось которых параллельна его валам, а своими торцами лопатки жестко закреплены по нормали и с заданным углом разворота относительно дисков второго ротора, с охватом сопел Лаваля первого ротора, при этом валы второго ротора расположены соосно и в противоположные стороны, коаксиально с валом первого ротора, а каждый вал второго ротора связан через соответствующие передачи с полезными нагрузками.In the second version of the technical solution, the rotor radial active-reactive turbine contains a housing with a working medium inlet, while the housing contains two rotors, rigidly fixed, each on its own shaft, with the possibility of rotation in opposite directions in bearing supports due to the supply of the working medium on the rotor blades, while its first rotor is connected coaxially and movably with pipelines located in opposite directions, supplying the working fluid to it from two sides, and consists of two identical, mirror-made, rigidly fixed on one shaft, and rigidly connected to each other by flanges by means of a ring-shaped frame, single-flow closed centrifugal wheels with profiled blades, forming closed centrifugal channels, rigidly connected to the corresponding bodies of hollow collectors of toroidal shape, covering the centrifugal wheels coaxially along their periphery so that the outlet sections of the centrifugal channels of the centrifugal wheels c are hermetically connected to the cavities of the corresponding collectors, separated inside by transverse partitions into separate cavities, to form working chambers, each of which is equipped with a tangentially installed Laval nozzle, while both ends of the first rotor shaft are connected to the corresponding payloads, and the second rotor is made in the form of two installed on both sides of the first rotor, discs with a diameter exceeding the diameter of the first rotor, rigidly connected, each with its own shaft and with each other along the periphery by blades rigidly fastened by a separating force ring, located in a circle around the first rotor, and made in the form of profiled in the cross-section of the grooves, the axis of which is parallel to its shafts, and with their ends the blades are rigidly fixed along the normal and with a given angle of rotation relative to the discs of the second rotor, covering the Laval nozzles of the first rotor, while the shafts of the second rotor are located coaxially and in opposite directions, coaxial with the shaft ne the first rotor, and each shaft of the second rotor is connected through the corresponding transmissions with payloads.
В частном случае данные технические решения могут содержать:In a particular case, these technical solutions may contain:
- профилированные лопатки однопоточного закрытого центробежного колеса первого ротора, выполненные на выходе с углом наклона от радиального направления в сторону, противоположную его вращения, при этом угол наклона определяется путем комплексного моделирования, из условия безударного и безотрывного втекания рабочего тела в рабочие камеры;- profiled blades of a single-flow closed centrifugal wheel of the first rotor, made at the outlet with an angle of inclination from the radial direction to the side opposite to its rotation, while the angle of inclination is determined by complex modeling, from the condition of shockless and uninterrupted flow of the working fluid into the working chambers;
- лопатки второго ротора с кривизной профиля в поперечном сечении с заданной функцией логарифмической спирали, определяемой путем комплексного моделирования, из условия безударного и безотрывного их обтекания рабочим телом;- blades of the second rotor with the curvature of the profile in the cross section with a given function of the logarithmic spiral, determined by complex modeling, from the condition of shockless and uninterrupted flow around them by the working fluid;
- лопатки второго ротора с размером и углом разворота относительно его дисков, определяемые путем комплексного моделирования, из условия безударного и безотрывного их обтекания рабочим телом.- blades of the second rotor with the size and angle of rotation relative to its disks, determined by complex modeling, from the condition of shockless and uninterrupted flow around them by the working fluid.
При этом в данных технических решениях полезная нагрузка может представлять собой электродвигатели-электрогенераторы, компрессоры, насосы и валы двигательных установок.At the same time, in these technical solutions, the payload can be electric motors-generators, compressors, pumps and shafts of propulsion systems.
Технические решения поясняются следующими графическими материалами, не охватывающими, и тем более, не ограничивающими весь объем притязаний данных технических решений, а являющимися частными примерами выполнения изобретений.The technical solutions are explained by the following graphic materials, which do not cover, and even more so do not limit the entire scope of the claims of these technical solutions, but are particular examples of the invention.
На чертеже фиг.1 изображен вариант роторной радиальной активно-реактивной турбины с первым ротором, содержащим однопоточное закрытое центробежное колесо (аксонометрия, общий вид турбины).The drawing Fig. 1 shows a variant of a rotary radial active-jet turbine with a first rotor containing a single-flow closed centrifugal wheel (perspective view, general view of the turbine).
На чертеже фиг.2 изображен вариант роторной радиальной активно-реактивной турбины с первым ротором, содержащим однопоточное закрытое центробежное колесо (аксонометрия, диаметральный разрез).The drawing figure 2 shows a variant of a rotary radial active-reactive turbine with a first rotor containing a single-flow closed centrifugal wheel (axonometry, diametrical section).
На чертеже фиг.3 изображен вариант роторной радиальной активно-реактивной турбины с первым ротором, содержащим однопоточное закрытое центробежное колесо (диаметральный разрез).The drawing figure 3 shows a variant of a rotary radial active-reactive turbine with a first rotor containing a single-flow closed centrifugal wheel (diametrical section).
На чертеже фиг.4 изображен вариант роторной радиальной активно-реактивной турбины с первым ротором, содержащим однопоточное закрытое центробежное колесо (аксонометрия, радиальный разрез).The drawing figure 4 shows a variant of a rotary radial active-reactive turbine with the first rotor containing a single-flow closed centrifugal wheel (axonometry, radial section).
На чертеже фиг.5 изображен вариант роторной радиальной активно-реактивной турбины с первым ротором, содержащим два однопоточных закрытых центробежных колеса (аксонометрия, общий вид).The drawing Fig. 5 shows a variant of a rotary radial active-reactive turbine with a first rotor containing two single-flow closed centrifugal wheels (perspective view, general view).
На чертеже фиг.6 изображен вариант роторной радиальной активно-реактивной турбины с первым ротором, содержащим два однопоточных закрытых центробежных колеса (аксонометрия, диаметральный разрез).The drawing Fig.6 shows a variant of a rotary radial active-reactive turbine with a first rotor containing two single-flow closed centrifugal wheels (axonometry, diametrical section).
На чертеже фиг.7 изображен вариант роторной радиальной активно-реактивной турбины с первым ротором, содержащим два однопоточных закрытых центробежных колеса (диаметральный разрез).The drawing Fig.7 shows a variant of a rotary radial active-reactive turbine with a first rotor containing two single-flow closed centrifugal wheels (diametrical section).
Роторная радиальная активно-реактивная турбина (фиг.1, 2, 3 и 4) установлена в корпусе (1), выполненном с трубопроводом (2) для подвода рабочего тела, и содержит первый ротор (3), закрепленный жестко, например, с помощью шлицов на валу (4), выполненном с возможностью вращения в подшипниковых опорах (5) и (6), и проходящем коаксиально через центр трубопровода (2), при этом первый ротор (3) выполнен в виде однопоточного закрытого центробежного колеса (7) с профилированными лопатками (8), образующими с обечайкой (9), покрывающей их по всей длине сверху, закрытые сверху центробежные каналы (10), выполненные на выходе с расширением в форме диффузоров (11), выходные сечения которых закрыты дроссельной решеткой (12), а так же содержащего корпус (13) полого, торообразной формы, коллектора с отверстием (14) по периметру его внутреннего диаметра, ширина которого не меньше ширины решетки (12), жестко и с обеспечением герметичности прикрепленный коаксиально к центробежному колесу (7) так, что выходные отверстия центробежных каналов (10) открыты через дроссельную решетку (12) во внутреннюю полость корпуса (13) коллектора, снабженную перегородками (15), перекрывающими внутреннюю полость корпуса (13) в поперечном сечении с образованием отдельных полостей, представляющих собой тангенциально расположенные рабочие камеры (16), выполненные с отверстиями на выходе, в которые установлены тангенциально сверхзвуковые сопла (17) Лаваля.A rotary radial active-jet turbine (Figs. 1, 2, 3 and 4) is installed in a housing (1), made with a pipeline (2) for supplying a working fluid, and contains a first rotor (3) fixed rigidly, for example, using splines on the shaft (4), made with the possibility of rotation in bearing supports (5) and (6), and passing coaxially through the center of the pipeline (2), while the first rotor (3) is made in the form of a single-flow closed centrifugal wheel (7) with with profiled blades (8), forming with a shell (9) covering their entire length from above, centrifugal channels (10) closed from above, made at the outlet with expansion in the form of diffusers (11), the outlet sections of which are closed by a throttle grating (12), as well as containing a body (13) of a hollow, toroidal shape, a collector with an opening (14) along the perimeter of its inner diameter, the width of which is not less than the width of the grating (12), rigidly and tightly attached coaxially to the centrifugal wheel (7) so, what come out the bottom holes of the centrifugal channels (10) are open through the throttle grate (12) into the inner cavity of the collector body (13), equipped with partitions (15) that overlap the inner cavity of the body (13) in cross section with the formation of separate cavities, which are tangentially located working chambers (16), made with openings at the outlet, into which tangentially supersonic Laval nozzles (17) are installed.
Первый ротор (3) соосно и подвижно со стороны входа в центробежное колесо (7) соединен с трубопроводом (2) с помощью лабиринтного соединения (18). Концы вала (4) соединены с полезной нагрузкой, например, с электродвигателями-электрогенераторами, осуществляющими предварительную раскрутку первого ротора (3) до заданной скорости вращения при ускоренном запуске турбины.The first rotor (3) is coaxially and movable from the side of the entrance to the centrifugal wheel (7) is connected to the pipeline (2) by means of a labyrinth connection (18). The ends of the shaft (4) are connected to the payload, for example, with electric motors-electric generators, which pre-spin the first rotor (3) to a predetermined speed of rotation when the turbine is accelerated.
Так же роторная радиальная активно-реактивная турбина содержит второй ротор (19), выполненный в виде двух, установленных с двух сторон первого ротора (3), дисков (20) и (21) с диаметром, превышающим диаметр первого ротора (3), соединенных жестко, например, с помощью сварки, каждый со своим валом (22) и (23) соответственно, и между собой по периферии лопатками (24), расположенными по окружности вокруг первого ротора (3), и выполненными в виде профилированных в поперечном сечении желобов, ось которых параллельна валам (22) и (23). Своими торцами лопатки (24) жестко закреплены по нормали и с заданным углом разворота относительно дисков (20) и (21), с охватом сопел (17) Лаваля первого ротора (3). Валы (22) и (23) выполнены с наружными зубчатыми венцами, и установлены соосно и коаксиально с валом (4) первого ротора (3), на подшипниковых опорах (25) и (26) соответственно, с возможностью их вращения в противоположную вращению вала (4) сторону. При этом вал (23), установленный на корпусе (1), соединен с полезной нагрузкой через соответствующую передачу, которая может быть выполнена в виде простого редуктора или иного, известного из уровня техники передаточного устройства, а вал (22), установленный на трубопроводе (2) соединен с полезной нагрузкой через соответствующую передачу, содержащую ведомое зубчатое колесо (27) на вспомогательном валу (28). Полезной нагрузкой может быть, например, электродвигатель-электрогенератор для осуществления перед ускоренным запуском турбины предварительной раскрутки второго ротора (19) до заданной скорости вращения.Also, a rotary radial active-jet turbine contains a second rotor (19) made in the form of two disks (20) and (21) installed on both sides of the first rotor (3) with a diameter exceeding the diameter of the first rotor (3), connected rigidly, for example, by welding, each with its own shaft (22) and (23), respectively, and between themselves along the periphery of the blades (24) located circumferentially around the first rotor (3), and made in the form of grooves profiled in cross-section whose axis is parallel to the shafts (22) and (23). By their ends, the blades (24) are rigidly fixed along the normal and with a given angle of rotation relative to the disks (20) and (21), with the coverage of the Laval nozzles (17) of the first rotor (3). Shafts (22) and (23) are made with external gear rims, and are installed coaxially and coaxially with the shaft (4) of the first rotor (3), on bearing supports (25) and (26), respectively, with the possibility of their rotation in the opposite direction to the rotation of the shaft (4) side. In this case, the shaft (23) mounted on the housing (1) is connected to the payload through a corresponding transmission, which can be made in the form of a simple gearbox or another transmission device known from the prior art, and the shaft (22) mounted on the pipeline ( 2) is connected to the payload through a suitable transmission containing a driven gear (27) on an auxiliary shaft (28). The payload can be, for example, an electric motor-electric generator for the preliminary spinning of the second rotor (19) to a predetermined rotation speed before the accelerated start of the turbine.
С целью упрощения конструкции первого ротора (3) и повышения эффективности его работы однопоточное центробежное колесо (7) выполнено закрытым, при этом обечайка (9) жестко соединена с верхними кромками профилированных лопаток (8), например, с помощью пайки или диффузионной сварки, с образованием центробежных каналов (10) закрытыми сверху.In order to simplify the design of the first rotor (3) and increase the efficiency of its operation, the single-flow centrifugal wheel (7) is made closed, while the shell (9) is rigidly connected to the upper edges of the profiled blades (8), for example, by soldering or diffusion welding, with the formation of centrifugal channels (10) closed at the top.
С целью минимизации потерь энергии потока рабочего тела в первом роторе (3) профилированные лопатки (8) центробежного колеса (7) выполнены на выходе с углом наклона от радиального направления в сторону, противоположную его вращения, а угол наклона определяется путем комплексного многопараметрического моделирования, из условия обеспечения наибольшей мощности и эффективности работы первого ротора (3) для конкретного рабочего тела, при этом центробежные каналы (10) выполнены на выходе с расширением в виде диффузоров (11), выполняющих в работе первого ротора (3) функцию предкамерных диффузоров рабочих камер (16).In order to minimize the energy losses of the flow of the working fluid in the first rotor (3), the profiled blades (8) of the centrifugal wheel (7) are made at the outlet with an angle of inclination from the radial direction to the side opposite to its rotation, and the angle of inclination is determined by complex multi-parameter modeling, from conditions for ensuring the highest power and efficiency of the first rotor (3) for a specific working fluid, while the centrifugal channels (10) are made at the outlet with expansion in the form of diffusers (11), performing the function of pre-chamber diffusers of the working chambers in the operation of the first rotor (3) ( 16).
Сверхзвуковые сопла (17) Лаваля выполнены плоскими, и по сравнению с традиционными круглыми, осесимметричными соплами являются более предпочтительными, так как обеспечивают:Supersonic Laval nozzles (17) are flat, and in comparison with traditional round, axisymmetric nozzles are more preferable, as they provide:
- наилучшую компоновку с корпусом (13) коллектора;- the best arrangement with the collector body (13);
- наибольшую прочность конструкции первого ротора (3), и как следствие, наибольшую скорость его вращения;- the greatest structural strength of the first rotor (3), and as a consequence, the highest speed of its rotation;
- наибольшую площадь критического сечения, и степень расширения;- the largest area of the critical section, and the degree of expansion;
- оптимизацию профилирования с учетом скорости вращения роторов (3) и (19);- optimization of profiling taking into account the speed of rotation of the rotors (3) and (19);
- минимизацию потерь энергии на трение при обтекании внешней средой корпуса вращающегося первого ротора (3).- minimization of energy losses due to friction when the external environment flows around the body of the rotating first rotor (3).
С целью повышения мощности работы второго ротора (19) его лопатки (24) выполнены профилированными, с профилем в поперечном сечении, представляющем собой логарифмическую спираль. Такой профиль обеспечивает увеличение площади лопаток (24), воспринимающих силовое давление потока рабочего тела, истекающего из сопел (17) первого ротора (3), а так же увеличивает плечо приложения силы этого потока рабочего тела.In order to increase the power of the second rotor (19), its blades (24) are profiled, with a cross-sectional profile representing a logarithmic spiral. Such a profile provides an increase in the area of the blades (24), which perceive the force pressure of the flow of the working fluid emanating from the nozzles (17) of the first rotor (3), and also increases the shoulder of the force application of this flow of the working fluid.
Далее по тексту описания и на чертежах для второго технического решения через «'» обозначены тождественные детали, выполненные зеркально.Further in the text of the description and in the drawings for the second technical solution through "'" denotes identical parts made in a mirror.
Роторная радиальная активно-реактивная турбина (фиг.5, 6 и 7) установлена в корпусе (1), выполненном с двумя, расположенными в противоположные стороны трубопроводами (2 и 2') для подвода рабочего тела в коаксиально установленный по отношению к ним первый ротор (3), подвижно соединенный с трубопроводами (2 и 2') через лабиринтные соединения (18 и 18'), и жестко закрепленный на валу (4), например, с помощью шлицов, с возможностью вращения в подшипниковых опорах (5 и 5'), и состоящий из двух идентичных, выполненных зеркально, жестко соединенных между собой фланцами при помощи рамы (29) кольцеобразной формы однопоточных закрытых центробежных колес (7 и 7') с профилированными лопатками (8 и 8') соответственно, образующими с помощью обечаек (9 и 9') соответственно закрытые центробежные каналы (10 и 10'), выходные сечения которых жестко соединены с соответствующими корпусами (13 и 13') коллекторов торообразной формы, охватывающими коаксиально центробежные колеса (7 и 7') по их периферии так, что выходные сечения центробежных каналов (10 и 10') герметично соединены с полостями корпусов (13 и 13') соответствующих коллекторов, разделенных внутри поперечными перегородками (15 и 15') на отдельные полости, с образованием рабочих камер (16 и 16'), каждая из которых оснащена тангенциально установленным соплом (17 и 17') Лаваля, а второй ротор (19) выполнен в виде двух, установленных с двух сторон первого ротора, дисков (20 и 20') с диаметром, превышающим диаметр первого ротора (3), соединенных жестко, каждый со своим валом (22 и 22') соответственно, и между собой по периферии лопатками (24), жестко скрепленными силовым кольцом (30), и расположенными по окружности вокруг первого ротора (3), и выполненными в виде профилированных в поперечном сечении желобов, ось которых параллельна его валам (22 и 22'), а своими торцами лопатки (24) жестко закреплены по нормали и с заданным углом разворота относительно дисков (20 и 20') второго ротора (19), с охватом сопел (17 и 17') Лаваля первого ротора (3), при этом валы (22 и 22') выполнены с наружными зубчатыми венцами, расположены соосно и в противоположные стороны, на подшипниках (26 и 26') коаксиально валу (4) первого ротора (3), при этом концы вала (4) соединены с соответствующей полезной нагрузкой, представляющей собой, например, электродвигатели-электрогенераторы для осуществления при ускоренном запуске турбины предварительной раскрутки первого ротора (3) до заданной скорости вращения. Каждый из валов (22 и 22') через соответствующую передачу, содержащую ведомое зубчатое колесо (27 и 27') на вспомогательном валу (28 и 28'), соединен с соответствующей полезной нагрузкой, представляющей собой, например, электродвигатели-электрогенераторы для осуществления при ускоренном запуске турбины предварительной раскрутки второго ротора (19) до заданной скорости вращения.A rotary radial active-jet turbine (Figs. 5, 6 and 7) is installed in a housing (1) made with two pipelines located in opposite directions (2 and 2 ') for supplying the working fluid to the first rotor coaxially installed with respect to them (3), movably connected to the pipelines (2 and 2 ') through labyrinth joints (18 and 18'), and rigidly fixed to the shaft (4), for example, by means of splines, with the possibility of rotation in bearing supports (5 and 5 ' ), and consisting of two identical, mirrored, rigidly interconnected flanges using a frame (29) of the annular shape of single-flow closed centrifugal wheels (7 and 7 ') with profiled blades (8 and 8'), respectively, forming with the help of shells ( 9 and 9 '), respectively, closed centrifugal channels (10 and 10'), the outlet sections of which are rigidly connected to the corresponding bodies (13 and 13 ') of the collectors of toroidal shape, covering coaxially centrifugal wheels (7 and 7') along their periphery, so, that the outlet sections of the centrifugal channels (10 and 10 ') are hermetically connected to the cavities of the bodies (13 and 13') of the corresponding collectors, divided inside by transverse partitions (15 and 15 ') into separate cavities, with the formation of working chambers (16 and 16'), each of which is equipped with a tangentially mounted Laval nozzle (17 and 17 '), and the second rotor (19) is made in the form of two disks (20 and 20') installed on both sides of the first rotor with a diameter exceeding the diameter of the first rotor (3) rigidly connected, each with its own shaft (22 and 22 '), respectively, and with each other along the periphery by blades (24) rigidly fastened by a force ring (30), and located circumferentially around the first rotor (3), and made in the form of profiled in the cross section of the grooves, the axis of which is parallel to its shafts (22 and 22 '), and with their ends the blades (24) are rigidly fixed along the normal and with a given angle of rotation relative to the disks (20 and 20') of the second rotor (19), with the coverage of the nozzles (17 & 17 ') Laval 1st rotor (3), while the shafts (22 and 22 ') are made with external gear rims, are located coaxially and in opposite directions, on bearings (26 and 26') coaxially to the shaft (4) of the first rotor (3), while the ends of the shaft (4) are connected to a corresponding payload, which is, for example, electric motors-electric generators for the preliminary spinning of the first rotor (3) to a predetermined rotation speed during the accelerated start of the turbine. Each of the shafts (22 and 22 ') through a corresponding transmission containing a driven gear (27 and 27') on the auxiliary shaft (28 and 28 ') is connected to the corresponding payload, which is, for example, electric motors-electric generators for accelerated start-up of the turbine for preliminary spinning of the second rotor (19) to a given rotation speed.
Запуск и работа роторной радиальной активно-реактивной турбины в зависимости от величины давления рабочего тела, поступающего на ее вход, осуществляют по двум вариантам:The launch and operation of a rotary radial active-reactive turbine, depending on the pressure of the working fluid entering its inlet, is carried out in two ways:
- обычный, естественный запуск (без использования предварительной, принудительной раскрутки ее роторов с помощью внешнего привода, представляющего собой, например, электродвигатель-электрогенератор);- normal, natural start (without the use of preliminary, forced spin-up of its rotors using an external drive, which is, for example, an electric motor-electric generator);
- ускоренный запуск (с использованием предварительной, принудительной раскрутки ее роторов с помощью внешнего привода).- accelerated start (using preliminary, forced spin-up of its rotors using an external drive).
Обычный, естественный запуск и работа роторной радиальной активно-реактивной турбины выполняется при использовании рабочего тела, поступающего на ее вход с давлением, достаточным для раскрутки ее первого ротора (3), и при отсутствии возможности использовать предварительную, принудительную раскрутку ее роторов (3) и (19) с помощью внешнего привода. В исходном положении первый ротор (3) и второй ротор (19) турбины находятся в состоянии покоя. Рабочее тело под высоким давлением подается через трубопровод (2) только на вход первого ротора (3), и далее поступает в центробежные каналы (10) его однопоточного закрытого центробежного колеса (7). Воздействуя своим давлением на профилированные лопатки (8) центробежных каналов (10) рабочее тело создает момент вращения первого ротора (3) на валу (4).The usual, natural start-up and operation of a rotary radial active-reactive turbine is performed using a working fluid entering its inlet with a pressure sufficient to spin up its first rotor (3), and in the absence of the possibility to use a preliminary, forced spinning of its rotors (3) and (19) by external drive. In the initial position, the first rotor (3) and the second rotor (19) of the turbine are at rest. The working fluid under high pressure is supplied through the pipeline (2) only to the inlet of the first rotor (3), and then enters the centrifugal channels (10) of its single-flow closed centrifugal wheel (7). Acting with its pressure on the profiled blades (8) of the centrifugal channels (10), the working fluid creates the moment of rotation of the first rotor (3) on the shaft (4).
Из центробежных каналов (10), выполненных на выходе с расширением в форме диффузоров (11), и закрытых дроссельной решеткой (12), рабочее тело поступает в рабочие камеры (16), и затем под действием собственного давления истекает из первого ротора (3) через тангенциально установленные сопла (17) Лаваля, с образованием дополнительного момента вращения первого ротора (3) на валу (4). Моменты вращения первого ротора (3) на валу (4), полученные от работы профилированных лопаток (8) и сопел (17) Лаваля суммируются, ускоряя вращение ротора (3).From the centrifugal channels (10), made at the outlet with expansion in the form of diffusers (11), and closed by the throttle grate (12), the working fluid enters the working chambers (16), and then, under the action of its own pressure, it flows out of the first rotor (3) through tangentially mounted Laval nozzles (17), with the formation of an additional torque of the first rotor (3) on the shaft (4). The moments of rotation of the first rotor (3) on the shaft (4) obtained from the operation of the profiled blades (8) and Laval nozzles (17) are summed up, accelerating the rotation of the rotor (3).
По мере увеличения скорости вращения первого ротора (3) под действием давления поступающего в него рабочего тела, в центробежных каналах (10) происходит сжатие этого рабочего тела, с повышением его давления и энтальпии, и последующим повышением давления рабочего давления в рабочих камерах (16) до заданного значения. При этом сопла (17) Лаваля выходят на заданный, расчетный режим работы, и обеспечивают максимальную скорость истечения рабочего тела из первого ротора (3), и соответственно максимальный момент его вращения на валу (4). Так как истекающий с максимальной скоростью из сопел (17) Лаваля первого ротора (3) поток рабочего тела обладает высокой кинетической энергией, то попадая на лопатки (24) второго ротора (19), он обеспечивает максимальный момент вращения второго ротора (19) на валах (22) и (23) в сторону, противоположную вращению первого ротора (3).As the speed of rotation of the first rotor (3) increases under the action of the pressure of the working fluid entering it, this working fluid is compressed in the centrifugal channels (10), with an increase in its pressure and enthalpy, and a subsequent increase in the pressure of the working pressure in the working chambers (16) to the specified value. In this case, the Laval nozzles (17) reach the specified, design mode of operation, and provide the maximum flow rate of the working fluid from the first rotor (3), and, accordingly, the maximum torque of its rotation on the shaft (4). Since the flow of the working fluid flowing out at maximum speed from the Laval nozzles (17) of the first rotor (3) has high kinetic energy, then falling on the blades (24) of the second rotor (19), it provides the maximum torque of the second rotor (19) on the shafts (22) and (23) in the direction opposite to the rotation of the first rotor (3).
Таким образом, в первом роторе (3) потенциальная энергия давления поступающего в турбину рабочего тела сначала повышается за счет сжатия его в центробежных каналах (10), а затем полностью эффективно преобразуется в кинетическую энергию с помощью сопел (17) Лаваля. При этом в создании момента вращения первого ротора (3) на валу (4) принимает участие, как потенциальная энергия давления рабочего тела, так и кинетическая энергия рабочего тела, истекающего из сопел (17) Лаваля, что способствует повышению мощности работы первого ротора (3), который по сути своей является активно-реактивной ступенью турбины, в которой центробежное рабочее колесо (7) и сопла (17) Лаваля вносят существенный вклад в создание момента вращения первого ротора (3).Thus, in the first rotor (3), the potential energy of the pressure of the working fluid entering the turbine first increases due to its compression in the centrifugal channels (10), and then is completely effectively converted into kinetic energy using Laval nozzles (17). At the same time, both the potential energy of the working fluid pressure and the kinetic energy of the working fluid flowing out of the Laval nozzles (17) take part in the creation of the moment of rotation of the first rotor (3) on the shaft (4), which contributes to an increase in the power of the first rotor (3 ), which is essentially an active-reactive turbine stage, in which the centrifugal impeller (7) and Laval nozzles (17) make a significant contribution to the creation of the torque of the first rotor (3).
Сжатие потока рабочего тела в центробежном колесе (7) первого ротора (3) с энергетической точки зрения является наиболее эффективным (КПД процесса сжатия составляет порядка 84-86%, см., например, Н. Кампсти, «Аэродинамика компрессоров», глава 2.2, М, изд. «Мир», 2000 г, с. 98, и Ю.А Чумаков, «Газодинамический расчет центробежных компрессоров», «МАМИ», М, 2009 г, с. 2) по сравнению с со сжатием, например, в осевом колесе. Причем 58% сжатия потока в центробежном колесе (7) является «даровым», так как происходит за счет центробежных сил, и лишь только 42% сжатия осуществляется за счет работы профилированных лопаток (8), при этом потери энергии в потоке рабочего тела определяются от 42% (см., например, Н. Кампсти, «Аэродинамика компрессоров», глава 2.2, М, «Мир», 2000 г, с. 101, 105). Поэтому, существенное увеличение энтропии потока рабочего тела при сжатии его в центробежном колесе (7), в основном за счет центробежных сил, в конечном счете, повышает эффективность работы первого ротора (3) по мощности.Compression of the working fluid flow in the centrifugal impeller (7) of the first rotor (3) from the energy point of view is the most efficient (the efficiency of the compression process is about 84-86%, see, for example, N. Kampsti, "Aerodynamics of compressors", chapter 2.2, M, ed. "Mir", 2000, p. 98, and YA Chumakov, "Gas-dynamic calculation of centrifugal compressors", "MAMI", M, 2009, p. 2) compared with compression, for example, in axle wheel. Moreover, 58% of the compression of the flow in the centrifugal wheel (7) is "free", since it occurs due to centrifugal forces, and only 42% of the compression is carried out due to the operation of the profiled blades (8), while the energy losses in the flow of the working fluid are determined from 42% (see, for example, N. Kampsti, "Aerodynamics of compressors", chapter 2.2, M, "Mir", 2000, pp. 101, 105). Therefore, a significant increase in the entropy of the flow of the working fluid when it is compressed in a centrifugal wheel (7), mainly due to centrifugal forces, ultimately increases the efficiency of the first rotor (3) in terms of power.
Из универсального уравнения термо-газодинамики - «Уравнения обращение воздействия» («УОВ») в дифференциальной форме известно (см., уравнение (1)), что наиболее эффективно поток сжимаемого рабочего тела разгоняется (преобразуется) за счет воздействия на него геометрии проточного тракта (геометрическое воздействие), поэтому истечение рабочего тела из первого ротора (3) через сопла (17) Лаваля является наиболее эффективным для достижения максимально возможных сверхзвуковых скоростей истечения (КПД процесса истечения из сверхзвукового сопла составляет порядка 94.5-97.5%, см., например, А.П. Васильев, В.М. Кудрявцев, В.А. Кузнецов, и др. «Основы теории и расчета ЖРД», Высшая школа, 1967 г., с. 313). Поэтому сверхзвуковые сопла (17) Лаваля так же повышают эффективность работы первого ротора (3) по мощности.It is known from the universal equation of thermo-gasdynamics - "Equations of reversal of action" ("UOV") in differential form (see, equation (1)) that the most efficient flow of a compressible working fluid is accelerated (converted) due to the impact on it of the geometry of the flow path (geometric action), therefore, the outflow of the working fluid from the first rotor (3) through the Laval nozzles (17) is the most effective for achieving the maximum possible supersonic outflow velocities (the efficiency of the outflow process from a supersonic nozzle is about 94.5-97.5%, see, for example, A.P. Vasiliev, V.M. Kudryavtsev, V.A.Kuznetsov, et al. "Fundamentals of the theory and calculation of liquid-propellant engines", Higher School, 1967, p. 313). Therefore, supersonic nozzles (17) Laval also increase the efficiency of the first rotor (3) in terms of power.
гдеWhere
Μ, V, а - число Маха, скорость и скорость звука в потоке рабочего тела;Μ, V, a - Mach number, speed and speed of sound in the flow of the working fluid;
F - площадь характерного сечения проточного трактаF is the area of the characteristic section of the flow path
(геометрическое воздействие на поток рабочего тела);(geometric effect on the flow of the working fluid);
ρ, hps, Τ - плотность, энтальпия, температура рабочего тела;ρ, h ps , Τ - density, enthalpy, temperature of the working fluid;
ξ - коэффициент гидравлического сопротивления в проточном тракте;ξ is the coefficient of hydraulic resistance in the flow path;
R - радиус канала в проточном тракте;R is the radius of the channel in the flow path;
qx - тепловая энергия, подводимая к потоку рабочего тела извне, или отбираемая у потока рабочего тела (тепловое воздействие);q x - thermal energy supplied to the working fluid flow from the outside, or taken away from the working fluid flow (thermal effect);
Q - расходная функция (расходное воздействие);Q - expenditure function (expenditure effect);
ƒx - внешняя сила, воздействующая на поток рабочего тела.ƒ x - external force acting on the flow of the working fluid.
Эффективное сжатие поступающего в турбину рабочего тела в первом роторе (3) в совокупности с эффективным истечением сжатого рабочего тела обеспечивают существенное повышение эффективности его работы по мощности.The effective compression of the working fluid entering the turbine in the first rotor (3), together with the effective outflow of the compressed working fluid, provides a significant increase in the efficiency of its work in terms of power.
Истекая из сопел (17) Лаваля первого ротора (3) потоки рабочего тела с высокой кинетической энергией воздействуют на профилированные лопатки (24) второго ротора (19) с силой (согласно третьему закону о равенстве сил действия и противодействия), с которой они воздействуют на сопла (17) Лаваля первого ротора (3), что обуславливает высокую мощность работы второго ротора (19).Flowing out of the Laval nozzles (17) of the first rotor (3), the flows of the working fluid with high kinetic energy act on the profiled blades (24) of the second rotor (19) with a force (according to the third law on the equality of the forces of action and reaction) with which they act on Laval nozzles (17) of the first rotor (3), which determines the high power of the second rotor (19).
Таким образом, эффективность работы турбины, определяемая совокупностью совместной работы первого ротора (3) и второго ротора (19) значительно превышает эффективность работы турбины Юнгстрем по мощности.Thus, the efficiency of the turbine, determined by the combination of the joint work of the first rotor (3) and the second rotor (19), significantly exceeds the efficiency of the Jungstrom turbine in terms of power.
Ускоренный запуск и работа роторной радиальной активно-реактивной турбины (с предварительной, принудительной раскрутки ее роторов с помощью внешнего привода) выполняется при использовании рабочего тела, поступающего на вход турбины с давлением, как достаточным, так и не достаточным для раскрутки ее первого ротора. При этом запуск турбины начинается с предварительной, принудительной раскрутки первого ротора (3) и второго ротора (19) до требуемой заданной скорости для каждого из них. Скорость раскрутки первого ротора (3) определяется условиями запуска сверхзвуковых сопел (17) Лаваля, а скорость раскрутки второго ротора (19) определяется условиями безударного вхождения потоков рабочего тела, истекающих со сверхзвуковой скоростью из сопел (17) Лаваля первого ротора (3) на профилированные лопатки (24) второго ротора (19). При этом изначально рабочее тело подается только на вход первого ротора (3). Дальнейший процесс работы турбины аналогичен процессу работы турбины без предварительной раскрутки первого ротора (3) и второго ротора (19).Accelerated start-up and operation of a rotary radial active-reactive turbine (with preliminary, forced spin-up of its rotors using an external drive) is performed using a working fluid entering the turbine inlet with a pressure that is both sufficient and not sufficient to spin up its first rotor. In this case, the start of the turbine begins with a preliminary, forced spin-up of the first rotor (3) and the second rotor (19) to the required preset speed for each of them. The spinning speed of the first rotor (3) is determined by the conditions for starting the supersonic nozzles (17) Laval, and the spinning speed of the second rotor (19) is determined by the conditions of the shockless entry of the working fluid flows out of the Laval nozzles (17) of the first rotor (3) onto the profiled blades (24) of the second rotor (19). In this case, initially the working fluid is supplied only to the input of the first rotor (3). The further process of the turbine operation is similar to the process of the turbine operation without preliminary spinning up of the first rotor (3) and the second rotor (19).
Работа турбины с первым ротором, выполненным с двумя однопоточными закрытыми центробежными колесами, осуществляется аналогичным образом. Использование в турбине первого ротора (3), выполненного в виде моноблока, состоящего из двух идентичных, выполненных зеркально, жестко закрепленных на одном валу и жестко соединенных между собой фланцами при помощи рамы кольцеобразной формы, закрытых однопоточных центробежных колес с профилированными лопатками позволяет:The operation of the turbine with the first rotor made with two single-flow closed centrifugal wheels is carried out in a similar way. The use of the first rotor (3) in the turbine, made in the form of a monoblock, consisting of two identical, made in a mirror, rigidly fixed on one shaft and rigidly connected by flanges using a ring-shaped frame, closed single-flow centrifugal wheels with profiled blades allows:
- полностью снять осевые нагрузки на подшипники (5 и 5') ее вала (4), что в данном случае является принципиально важным;- completely remove the axial loads on the bearings (5 and 5 ') of its shaft (4), which in this case is fundamentally important;
- при несущественном увеличении габаритов и массы турбины повысить, практически в два раза, мощность турбины.- with an insignificant increase in the size and weight of the turbine, increase, almost twice, the power of the turbine.
Компактная конструкция проточных трактов заявленных турбин в совокупности с эффективным сжатием в центробежных каналах (10 и 10') первого ротора (3) потока рабочего тела, с повышением его давления и энтальпии, и с последующим его тангенциально-радиальным истечением через тангенциально установленные сверхзвуковым сопла (17 и 17') Лаваля, и его кинетическим воздействием на лопатки (24) второго ротора (19), вращающегося в противоположную сторону, позволяют с максимальной эффективностью преобразовывать энергию рабочего тела из одного вида в другой, тем самым эффективно использовать его в работе турбин. При этом во всем проточном тракте турбин поток рабочего тела остается стационарным, не разрушается, и осуществляет свою работу с минимальными потерями энергии, что в совокупности с тангенциально-радиальным сверхзвуковым истечением рабочего тела из сопел (17 и 17') Лаваля первого ротора (3), и тангенциальным воздействием истекающего из этих сопел рабочего тела на лопатки (24) второго ротора (19) обеспечивает максимальную концентрацию усилия потока рабочего тела на наибольшем плече роторов (3) и (19), что обеспечивает существенное повышение мощности, в том числе удельной предлагаемых турбин. Наличие в заявленных турбинах дополнительных валов позволяет избирательно, дифференцировано подключать к турбинам полезную нагрузку.The compact design of the flow paths of the declared turbines in combination with effective compression in the centrifugal channels (10 and 10 ') of the first rotor (3) of the working fluid flow, with an increase in its pressure and enthalpy, and with its subsequent tangential-radial outflow through tangentially installed supersonic nozzles ( 17 and 17 ') Laval, and its kinetic effect on the blades (24) of the second rotor (19), rotating in the opposite direction, make it possible with maximum efficiency to convert the energy of the working fluid from one type to another, thereby effectively using it in the operation of turbines. In this case, in the entire flow path of the turbines, the flow of the working fluid remains stationary, does not collapse, and carries out its work with minimal energy losses, which, together with the tangential-radial supersonic outflow of the working fluid from the Laval nozzles (17 and 17 ') of the first rotor (3) , and the tangential effect of the working fluid flowing from these nozzles on the blades (24) of the second rotor (19) provides the maximum concentration of the working fluid flow force on the largest arm of the rotors (3) and (19), which provides a significant increase in power, including the specific power proposed turbines. The presence of additional shafts in the declared turbines allows selectively, differentiated connection of the payload to the turbines.
Claims (6)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018116219A RU2742711C2 (en) | 2018-04-28 | 2018-04-28 | Radial birotational active-reactive turbine (variants) |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018116219A RU2742711C2 (en) | 2018-04-28 | 2018-04-28 | Radial birotational active-reactive turbine (variants) |
Publications (3)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2018116219A3 RU2018116219A3 (en) | 2019-10-28 |
| RU2018116219A RU2018116219A (en) | 2019-10-28 |
| RU2742711C2 true RU2742711C2 (en) | 2021-02-09 |
Family
ID=68500311
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2018116219A RU2742711C2 (en) | 2018-04-28 | 2018-04-28 | Radial birotational active-reactive turbine (variants) |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2742711C2 (en) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105041385A (en) * | 2015-06-01 | 2015-11-11 | 王瀚诚 | Jet type rotary motor with linear water-drop rotor |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3077075A (en) * | 1957-03-15 | 1963-02-12 | Turanciol Fuad | Rotary radial flow jet engine |
| US5497635A (en) * | 1990-04-06 | 1996-03-12 | Alsenz; Richard H. | Refrigeration system utilizing an enthalpy expansion jet compressor |
| RU2086774C1 (en) * | 1994-04-04 | 1997-08-10 | Мельников Вячеслав Борисович | Reaction turbine for multi-phase working medium |
| RU99543U1 (en) * | 2010-07-09 | 2010-11-20 | Александр Алексеевич Павлов | ACTIVE GAS TURBINE ENGINE (OPTIONS) |
| RU2013136499A (en) * | 2013-08-05 | 2015-02-10 | Сергей Константинович Исаев | METHOD FOR PRODUCING MECHANICAL ENERGY, SINGLE-THREAD AND TWO-THREAD REACTIVE TURBINES AND TURBOREACTIVE PLANT FOR ITS IMPLEMENTATION |
-
2018
- 2018-04-28 RU RU2018116219A patent/RU2742711C2/en active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3077075A (en) * | 1957-03-15 | 1963-02-12 | Turanciol Fuad | Rotary radial flow jet engine |
| US5497635A (en) * | 1990-04-06 | 1996-03-12 | Alsenz; Richard H. | Refrigeration system utilizing an enthalpy expansion jet compressor |
| RU2086774C1 (en) * | 1994-04-04 | 1997-08-10 | Мельников Вячеслав Борисович | Reaction turbine for multi-phase working medium |
| RU99543U1 (en) * | 2010-07-09 | 2010-11-20 | Александр Алексеевич Павлов | ACTIVE GAS TURBINE ENGINE (OPTIONS) |
| RU2013136499A (en) * | 2013-08-05 | 2015-02-10 | Сергей Константинович Исаев | METHOD FOR PRODUCING MECHANICAL ENERGY, SINGLE-THREAD AND TWO-THREAD REACTIVE TURBINES AND TURBOREACTIVE PLANT FOR ITS IMPLEMENTATION |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| US 5497635 Α1, 12.03.1996. * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2018116219A3 (en) | 2019-10-28 |
| RU2018116219A (en) | 2019-10-28 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US4024705A (en) | Rotary jet reaction turbine | |
| US4968216A (en) | Two-stage fluid driven turbine | |
| US7334990B2 (en) | Supersonic compressor | |
| US3269119A (en) | Turbo-jet powerplant with toroidal combustion chamber | |
| US2611532A (en) | Turbine driven compressor | |
| US5697767A (en) | Integrated turbine and pump assembly | |
| US2809493A (en) | Centrifugal flow compressor and gas turbine power plant with a centrifugal flow compressor, toroidal combustion chamber, and centripetal flow turbine | |
| US2648492A (en) | Gas turbine incorporating compressor | |
| RU2742711C2 (en) | Radial birotational active-reactive turbine (variants) | |
| US3941501A (en) | Diffuser including a rotary stage | |
| US6295802B1 (en) | Orbiting engine | |
| RU2702317C1 (en) | Rotary birotate gas turbine engine | |
| EA005904B1 (en) | Improved turbine | |
| WO2012088566A1 (en) | Gas turbine engine | |
| CN114396314B (en) | Supersonic axial flow composite bladeless turbine | |
| US2962206A (en) | Centrifugal compressor for a gas turbine engine | |
| RU2280168C1 (en) | Method of producing mechanical energy in turbine, turbine and segner's wheel for implementing the method | |
| EP2912269B1 (en) | Gas turbine engine rotor drain feature | |
| KR100843540B1 (en) | Turbine for generating mechanical energy | |
| US10190436B2 (en) | Power transmission system for turbine, a turbocharger, a compressor, or a pump | |
| US2945670A (en) | Active-reactive energy applications for prime movers | |
| US3009319A (en) | Turbojet engine | |
| JP2000500212A (en) | Power generator driven by environmental heat | |
| RU2305772C2 (en) | Axial-flow turbine | |
| RU2050518C1 (en) | Radial turbo-expander |