ТУРБИННЫЙ ПРИВОД

Полезная модель относится к области турбинных приводов, применяемых, в частности, в высокооборотном пневматическом инструменте.
Основными требованиями, предъявляемыми к турбинным приводам высокооборотного пневматического инструмента, являются компактность, технологичность, высокая энергетическая эффективность, а также заданная предельная величина частоты вращения холостого хода (без нагрузки) ротора с турбинным колесом. В качестве приводов высокооборотного пневматического инструмента обычно применяют турбинные приводы традиционных конструктивных схем, которые содержат два лопаточных венца. При этом один из лопаточных представляет собой группу сопел, размещенную на неподвижном сопловом аппарате, а другой - венец рабочих лопаток, размещенный на вращающемся турбинном колесе.
Известны реактивные турбины со 100% степенью реактивности, называемые сокращенно реактивными турбинами, в которых преобразование потенциальной энергии давления в кинетическую энергию потока газа происходит в группе сопел, расположенной на вращающемся турбинном колесе (А.Г. Курзон. Теория судовых паровых и газовых турбин, с. 77, с. 92. Л.: «Судостроение», 1979. - 592 с.) Реактивная турбина имеет в своем составе лишь один лопаточный венец, а ее турбинное колесо обычно выполняется в виде диска, на боковой поверхности которого располагается группа сопел, реализующая течение газа в центробежном направлении (Патент РФ №2303137, F01D 1/32, 2005).
Наиболее близок к предлагаемой полезной модели турбинный привод (Патент США №4776752, 1988), который выбран за прототип. Турбинный привод содержит корпус, размещенные в корпусе впускной и выпускной каналы, и турбинное колесо, выполненное в виде диска с двумя боковыми поверхностями, на одной из которых размещена группа центробежных сопел с входным сечением, сообщенным с впускным каналом.
По сравнению с турбинными приводами традиционных конструктивных схем турбинный привод по прототипу более компактен и технологичен. При этом, являясь реактивной турбиной, он имеет меньшую энергетическую эффективность в диапазоне частот вращения высокооборотного пневматического инструмента. Это обусловлено большой скоростью потока газа на выходе из турбинного колеса, и, соответственно, большими потерями энергии с выходной скоростью потока газа при малых значениях параметра . Кроме того, турбинный привод по прототипу имеет более высокую частоту вращения холостого хода (без нагрузки).
Описанные выше особенности сужают границы возможного применения турбинного привода по прототипу и затрудняют его использование в качестве привода высокооборотного пневматического инструмента. Однако, имея большую скорость потока газа на выходе из турбинного колеса, он может рассматриваться как генератор кинетической энергии (аналогичный неподвижному сопловому аппарату турбинных приводов традиционных конструктивных схем), которая может быть использована в следующей ступени.
Задачи, решаемые предлагаемой полезной моделью, - усовершенствование турбинного привода и расширение границ его возможного применения.
Технический результат от использования полезной модели заключается в повышении энергетической эффективности и снижении частоты вращения холостого хода турбинного привода.
Указанный результат достигается тем, что в турбинном приводе, содержащем корпус, размещенные в корпусе впускной и выпускной каналы, и турбинное колесо, выполненное в виде диска с двумя боковыми поверхностями, на одной из которых размещена группа центробежных сопел с входным сечением, сообщенным с впускным каналом, на противоположной по отношению к группе центробежных сопел боковой поверхности турбинного колеса размещен венец центростремительных рабочих лопаток с выходным сечением, сообщенным с выпускным каналом, а в корпусе со стороны периферийной поверхности турбинного колеса неподвижно установлена перепускная камера, входное сечение которой расположено напротив выходного сечения группы центробежных сопел, а выходное сечение расположено напротив входного сечения венца центростремительных рабочих лопаток, при этом перепускная камера содержит внутренний кожух, наружный кожух, охватывающий внутренний кожух по периферии, и направляющий аппарат, размещенный в зазоре между внутренним кожухом и наружным кожухом.
Направляющий аппарат может быть выполнен в виде направляющих лопаток, у которых входные кромки расположены со стороны входного сечения перепускной камеры, а выходные кромки расположены со стороны выходного сечения перепускной камеры.
У направляющих лопаток сечение входных кромок может быть совмещено с входным сечением перепускной камеры, а сечение выходных кромок совмещено с выходным сечением перепускной камеры.
На фиг.1 приведен продольный разрез турбинного привода; на фиг.2 - продольный разрез турбинного колеса; на фиг.3 - разрез А-А на фиг.2; на фиг.4 - разрез Б-Б на фиг.2; на фиг.5 - продольный разрез внутреннего кожуха с направляющими лопатками по п.2; на фиг.6 - разрез В-В (развертка) на фиг.5; на фиг.7 - продольный разрез внутреннего кожуха перепускной камеры с направляющими лопатками по п.3; на фиг.8 - вид Г на фиг.7; на фиг.9 - разрез Д-Д на фиг.8.
Турбинный привод содержит корпус 1, размещенные в корпусе 1 впускной канал 2 и выпускной канал 3, и турбинное колесо 4, выполненное в виде диска с двумя боковыми поверхностями. На боковой поверхности 5 турбинного колеса 4 размещена группа центробежных сопел 6 с входным сечением 7, сообщенным с впускным каналом 2. На противоположной по отношению к группе центробежных сопел 6 боковой поверхности 8 турбинного колеса 4 размещен венец центростремительных рабочих лопаток 9 с выходным сечением 10, сообщенным с выпускным каналом 3. В корпусе 1 со стороны периферийной поверхности турбинного колеса 4 неподвижно установлена перепускная камера 11, входное сечение 12 которой расположено напротив выходного сечения 13 группы центробежных сопел 6, а выходное сечение 14 расположено напротив входного сечения 15 венца центростремительных рабочих лопаток 9. Перепускная камера 11 содержит внутренний кожух 16, наружный кожух 17, охватывающий внутренний кожух 16 по периферии, и направляющий аппарат, размещенный в зазоре между внутренним кожухом 16 и наружным кожухом 17.
Направляющий аппарат может быть выполнен в виде направляющих лопаток 18, у которых входные кромки 19 расположены со стороны входного сечения 12 перепускной камеры 11, а выходные кромки 20 расположены со стороны выходного сечения 14 перепускной камеры 11. В указанном варианте конструкции турбинного привода направляющие лопатки 18 образуют боковые стенки межлопаточных каналов 21.
У направляющих лопаток 18 сечение входных кромок 19 может быть совмещено с входным сечением 12 перепускной камеры 11, а сечение выходных кромок 20 - с выходным сечением 14 перепускной камеры 11.
Турбинный привод работает следующим образом. Поток газа через впускной канал 2 подводится к входному сечению 7 группы центробежных сопел 6. Двигаясь в центробежном направлении вдоль боковой поверхности 5, поток газа ускоряется в группе центробежных сопел 6 и под действием реактивной силы вращает турбинное колесо, передавая ему часть своей кинетической энергии. Затем поток газа покидает группу центробежных сопел 6 через их выходное сечение 13 и далее через входное сечение 12 поступает в перепускную камеру 11, неподвижно установленную в корпусе 1. Перемещаясь по перепускной камере 11 и взаимодействуя с внутренним кожухом 16 и наружным кожухом 17 поток газа в продольном сечении турбинного привода изменяет направление течения с центробежного на центростремительное. Одновременно с этим, поток газа взаимодействует с направляющим аппаратом и приобретает заданный угол тангенциальной закрутки. Далее поток газа покидает перепускную камеру 11 через выходное сечение 14 и поступает в венец центростремительных рабочих лопаток 9 через входное сечение 15. Двигаясь в центростремительном направлении вдоль боковой поверхности 8, поток газа взаимодействует с венцом центростремительных рабочих лопаток 9 и передает оставшуюся часть своей кинетической энергии турбинному колесу 4. Затем поток газа покидает венец центростремительных рабочих лопаток 9 через их выходное сечение 10 и выходит из турбинного привода через выпускной канал 3.
Направляющий аппарат, размещенный в перепускной камере 11, может быть выполнен в виде направляющих лопаток 18 с входными 19 и выходными 20 кромками. В указанном варианте конструкции турбинного привода поток газа поступает в направляющий аппарат, минуя входные кромки 19, обеспечивающие безударный вход потока газа в направляющий аппарат. Поток газа проходит вдоль боковых стенок межлопаточных каналов 21 и покидает направляющий аппарат, минуя выходные кромки 20. Указанные кромки задают угол тангенциальной закрутки потока газа во входном сечении 15 венца центростремительных рабочих лопаток 9.
Предлагаемый турбинный привод содержит две ступени: реактивную центробежную и активную центростремительную. Потенциальная энергия давления преобразуется в кинетическую энергию потока газа в группе центробежных сопел 6 центробежной ступени. При этом часть кинетической энергии потока газа преобразуется в энергию вращения турбинного колеса 4. Далее поток газа передает оставшуюся часть кинетической энергии турбинному колесу 4 при взаимодействии с рабочими лопатками 9 центростремительной ступени. У предлагаемого турбинного привода характеристика, представленная зависимостью к.п.д. от , близка к соответствующей зависимости осевой двухвенечной ступени скорости (И.И. Кириллов, А.И. Кириллов. Теория турбомашин. Примеры и задачи, с.251. Л.: «Машиностроение», 1974. - 320 с.), к.п.д. которой в диапазоне частот вращения высокооборотного пневматического инструмента существенно выше, а частота вращения холостого хода - ниже, чем у прототипа.
Наиболее технологичным представляется вариант конструкции турбинного привода, при котором направляющие лопатки 18 образуют боковые стенки межлопаточных каналов 21 и выполнены за одно целое с внутренним кожухом 16 методом фрезерования заготовки дисковой фрезой.
Описываемые направляющие лопатки 18 могут быть выполнены таким образом, что сечение их входных кромок 19 совмещено с входным сечением 12 перепускной камеры 11, а сечение их выходных кромок 20 совмещено с выходным сечением 14 перепускной камеры 11. В указанном варианте конструкции турбинного привода межлопаточные каналы 21, образованные направляющими лопатками 18, разделяют поток газа на отдельные струи. Таким образом, в перепускной камере 11 осуществляется течение потока газа, обеспечивающее низкий уровень потерь энергии в перепускной камере 11.
Из вышесказанного можно сделать выводы, что представленный турбинный привод имеет большую энергетическую эффективность в диапазоне частот вращения высокооборотного пневматического инструмента, а также меньшую частоту вращения холостого хода по сравнению с прототипом. Это существенно расширяет границы его возможного применения и открывает возможность его эффективного использования в качестве привода высокооборотного пневматического инструмента.