ТУРБИНА РОМАНОВА

Полезная модель относится к теплоэнергетике и двигателестроению и может быть использована для любых стационарных и мобильных объектов в качестве универсальной энергетической установки генерирующей одновременно механическую энергию, электрическую и тепловую в виде горячего конденсата.
Известны осевые паровые и газовые турбины и радиальная паровая турбина Юнгстрема, состоящая из 2-х роторов встречного вращения и 2-х синхронных электрогенераторов установленных в одном корпусе, использующие кинетическую энергию потока рабочего тела для создания вращательного усилия. Они характеризуются сложной конструкцией лопаток ротора и статора, высокой удельной массой и низкой эффективностью преобразования кинетической энергии в механическую вращения, следствием чего является большой удельный расход рабочего тела и большие потери кинетической энергии потока с выходной скоростью, так как обязательным условием их эффективности является превышение входной скорости потока рабочего тела относительно окружной скорости лопаток ротора в 2 раза, в турбине Юнгстрема в 4 раза, и равной или близкой его скорости при выходе за пределы проточной части.
Известно, что наиболее эффективным и экономичным для создания газообразным рабочим телом вращательного усилия является объемное расширение, реализуемое в тепловых поршневых и роторно-поршневых двигателях. Однако используемые в них низкоэффективные кинематические механизмы преобразования давления рабочего тела во вращательное усилие и равенство степеней сжатия и расширения так же не обеспечивают им достижения высокой экономичности и эффективности.
Известна турбина объемного расширения, содержащая два зеркально идентичных блока кольцевых цилиндров, между которыми концентрично установлен лопаточный ротор, используемая в составе газопарового турбодвигателя, которая повышает его эффективность и экономичность за счет создания дополнительного вращательного усилия в первой ступени турбины потенциально-кинетической энергией потока рабочего тела и обеспечивает расширение рабочего тела до давления окружающей среды, однако значительная часть давления рабочего тела в последующих ступенях турбины не используется для создания вращающего усилия, так как ступенчатое снижение давления и ступенчатый рост объемов осуществляется в них в режиме дросселирования, что не обеспечивает максимальной эффективности и не позволяет ее использовать в качестве расширительной для двигателей с внешним подводом рабочего тела, вместо известных паровых и газовых турбин (Патент РФ №2335636 - прототип).
Технической задачей при создании полезной модели турбины являлось обеспечение максимальной эффективности объемного преобразования давления рабочего тела во вращательное усилие вала, повышение экономичности, обеспечение возможности ее использования в составе двигателей внутреннего сгорания в качестве основного источника механической энергии и в качестве расширительной машины (двигателя) вместо паровых и газовых турбин и в качестве электрогенератора.
Решение поставленной задачи достигнуто тем, в турбине, содержащей два зеркально-идентичных блока кольцевых цилиндров и концентрично установленный между ними общий для двух проточных частей ротор, кольцевые цилиндры блоков выполнены чередующимися с неподвижными кольцевыми выступами, в каждом из которых выполнен, по меньшей мере, один перепускной канал, сообщающий его со следующим кольцевым цилиндром.
На боковых поверхностях ротора так же, кольцами, постепенно возрастающего диаметра, выполнены цилиндрические выступы, которые так же чередуются с кольцевыми полостями ротора и в каждом из которых так же выполнен, по меньшей мере, один перепускной канал.
Стенки перепускных каналов ротора и блоков выполнены плоскопараллельными и под углом к диаметрально-осевой плоскости турбины, с обеспечением при сообщении расположения их стенок относительно друг друга под углом примерно 90° (перпендикулярно).
В каждом перепускном канале могут быть выполнены одна или несколько, равномерно расположенных по поперечному сечению тонкостенных плоских лопаток, расположенных параллельно стенкам канала для повышения эффективности реактивных импульсов, за счет его «деления» на части.
В каждом блоке, в радиальном направлении, непосредственно за валом ротора, выполнена концентричная кольцевая полость, выполняющая функцию ресивера. В цилиндрической стенке ресивера выполнены одно или несколько, равномерно расположенных по окружности, впускных окон. Окружное расстояние от впускного окна до перепускного канала первой ступени блока (статора) должно быть не менее окружной длины окна, а окружное расстояние между впускными окнами должно быть примерно равно их 3-х кратной окружной длине.
В стыках ротора с кольцевыми стенками ресивера установлены торцевые кольцевые уплотнители.
Ресиверы блоков снабжены входными патрубками-коллекторами для подачи в них рабочего тела. В блоках установлены клапаны или аналогичные устройства, обеспечивающие открытие или закрытие впускных окон через которые рабочее тело поступает в проточную часть турбины для последующего расширения. Ими так же осуществляется регулировка расхода рабочего тела, поступающего в проточную часть и соответственно мощности, развиваемой турбиной или прекращение подачи рабочего тела для ее остановки. После сборки турбины выступы ротора располагаются в кольцевых цилиндрах блоков, а кольцевые выступы статора в кольцевых каналах ротора, и, чередуясь, образуют ступени объемного расширения.
После сборки турбины выступы ротора располагаются в кольцевых цилиндрах блоков, а кольцевые выступы статора в кольцевых каналах ротора, и, чередуясь, образуют ступени объемного расширения. Подвод рабочего тела осуществляется парциально (частично), через одно или несколько, равномерно расположенных в окружном направлении, впускных окон.
Ротор турбины может быть установлен на двух радиально-упорных шариковых подшипниках, или, при повышенном рабочем давлении, на двух радиальных и двух упорно-осевых.
Турбина объемного расширения имеет следующие основные характеристики:
- по использованию энергии рабочего тела является турбиной объемного расширения.
В ней используется непосредственно потенциальная энергия давления, аналогично поршневым и роторно-поршневым двигателям.
- по направлению движения рабочего тела по проточной части, турбина радиальная.
- по количеству главных основных потоков турбина двухпоточная - два независимых потока расширения рабочего тела (два двигателя в одном), работающие на один вал или два независимых (вариант).
В свою очередь, каждый из двух основных потоков содержит от одного до нескольких потоков, количество которых определяется количеством впускных окон выполненных в ресивере и количеством перепускных каналов выполненных в роторе и статоре. По общему количеству потоков расширения турбина многопоточная.
- по принципу воздействия усилия рабочего тела на взаимодействующие элементы блока и ротора она является реактивной, так как для создания вращающего импульса используется сила реакции и торможения истекающего рабочего тела из полости находящейся под более высоким давлением в полость, находящуюся под меньшем давлении при их кратковременном сообщении при вращении ротора.
- по длительности воздействия реактивным усилием на элементы турбины она является импульсной, так как взаимодействующие подвижные перепускные каналы ротора и неподвижные перепускные каналы статора выполнены дискретно и при вращении ротора сообщаются между собой не постоянно, а прерывисто, создавая равномерно распределенные в окружном направлении реактивные импульсы.
Полное название турбины: турбина реактивно-импульсного ступенчатого объемного расширения (ТРИСОР).
В отличие от известных турбин необъемного расширения рабочими ступенями в изобретенной турбине следует считать стыки подвижных выступов ротор и статора.
При движении ротора от одного впускного окна до другого, его перепускные каналы сообщаются с перепускными каналами статора, и, при этом, выполняются рабочие циклы, состоящие из четырех тактов.
Первый такт - «заполнение» перепускного канала ротора рабочим телом. При дальнейшем вращении ротора и разобщении его с впускным окном выполняется второй такт - «отсечка», затем выполняется третий такт - «рабочий», сообщение с неподвижным каналом блока (статора), четвертый такт - снова «отсечка». При дальнейшем движении ротора в окружном направлении его канал вновь сообщается со следующим впускным окном, дополняется рабочим телом из ресивера до прежнего значения и далее циклы повторяются в описанном выше порядке.
Турбина полностью уравновешена как в осевом, так и в радиальном направлениях.
Работа турбины осуществляется следующим образом.
При пуске турбины первыми при движении ротора взаимодействуют пары каналов ротора и статора первой ступени, при этом, ротор отталкивается в направлении вращения реактивными струями от плоских поверхностей каналов статора. Давление в полостях ротора падает, в полостях статора возрастает. Происходит частичный резкий выброс рабочего тела (рабочий реактивный импульс) из канала ротора, находящегося под более высоким давлением в канал статора, находящийся при пуске при атмосферном давлении, а при работе после пуска под меньшим давлением. При этом давление в обоих каналах становится примерно равным. Эффективности перепуска и силе реакции способствуют так же центробежные силы. За тем, каналы ротора и статора разобщаются - такт «отсечка».
При дальнейшем движении ротора его каналы, расположенные в следующем от центра ряду, сообщаются с каналами статора, ранее сообщавшимися с каналами первой ступени ротора и находящимся под поступившим из него давлением рабочего тела, при этом рабочее тело, резко вылетающее из канала статора, толкает реактивной струей ротор. Осуществляется второй рабочий цикл второй ступени после поступления заряда в проточную часть турбины. За тем, полости разобщаются. Как и в первом рабочем цикле совершается такт - «отсечка».
Далее, и в окружном, и в радиальном направлении от центра к периферии до выпускных окон совершаются аналогичные рабочие такты.
При впуске заряда рабочего тела через одно впускное окно (выполнено одно или остальные закрыты), рабочие циклы будут продолжаться во всех ступенях турбины, ослабляясь без дозарядки свежим зарядом столько раз, сколько чередующихся пар каналов ротор - статор и статор - ротор турбины сработает до повторного сообщения канала ротора с впускным окном.
При впуске рабочего тела через несколько впускных окон общее количество рабочих импульсов в одном блоке за один полный оборот ротора будет равно произведению количества впускных окон, на количество перепускных каналов, выполненных в одной ступени (ротор-статор и статор-ротор) и на количество ступеней турбины, соответственно, в 2-х блоках количество рабочих импульсов за один оборот ротора будет равно их сумме.
Для уменьшения «мертвых» зон турбины (такт «отсечка»), в которых все полости ротора и статора не сообщаются между собой и полезная работа не производится, возможно их рассогласование смещением от общей радиальной оси отдельных перепускных каналов ротора или статора или изменением их окружной длины.
Режимы пуска и остановки турбины, в отличие от известных, сократятся до нескольких секунд, что важно в стационарных и, особенно, в мобильных энергетических установках.
На фиг.1 изображен разнесенный вид основных узлов турбины; на фиг.2 - поперечный разрез турбины, ротор изображен в положении создания рабочих импульсов - рабочего такта.
Турбина (фиг.1, 2) содержит два зеркально идентичных блока 1 и 2, в которых концентрично установлен общий ротор 3. В блоках выполнены кольцевые цилиндры 4 и кольцевые выступы 5. В выступах выполнены перепускные каналы 6. В роторе выполнены кольцевые выступы 7, с образованием между ними кольцевых полостей 8. В блоках выполнены кольцевые полости 9 (ресиверы). В цилиндрических стенках ресиверов выполнены впускные окна 10, в торцевых стенках выполнены каналы 11 для подачи рабочего тела. В перепускных каналах статора выполнены лопатки 12, в каналах ротора лопатки 13, в блоках выпускные окна 14.
В варианте теплоэлектрогенератора турбина содержит цилиндрические выступы последней ступени ротора, выполненные в виде постоянных магнитов, при этом во внешней цилиндрической стенке блоков установлены обмотки индуктивности, образуя два электрогенератора (не показаны).
При использовании в качестве рабочего тела водяного пара или паров низкокипящих жидкостей, за последним цилиндром блока может выполняться конденсатор (не показан). Проточная часть выполняется с количеством цилиндров, обеспечивающим более высокую степень расширения - ниже атмосферного. Вся поверхность турбины покрывается термочехлом.
При полной, кратковременной остановке турбины внешней нагрузкой, она вновь после снятия нагрузки продолжит работу, по аналогии с электродвигателем.
При длительной остановке турбины для возобновления ее работы требуется лишь импульсный поворот-толчок ротора от впускного окна до первого перепускного канала статора, что, в зависимости от количества впускных окон и перепускных каналов в ступени, составляет в окружном направлении не большой угол.
Из описанного выше принципа работы турбины следует, что она обладает высокой маневренностью и ее обороты и мощность можно изменять в широком диапазоне без применения понижающих и повышающих редукторов, например, изменять обороты при использовании для привода отдельных электрогенераторов с различными характеристиками.
При наличии внешнего источника газообразного рабочего тела, находящегося под избыточным давлением, например, воздуха, турбина может использоваться как пневмоэлектрогенератор (ПЭГ). В варианте электрогенератора она может использоваться на газораспределительных станциях газопроводов для утилизации перепада давления природного газа в качестве детандер - электрогенераторного агрегата (ДЭГА) с целью выработки электроэнергии, тепла и холода.
Возможно так же использование турбоэлектрогенератора совмещенного с парогенератором для утилизации, не используемой тепловой энергии непрерывно горящих факелов на газонефтяных месторождениях и генерации электрической и тепловой энергии для обслуживающего персонала (мини-ТЭС).
Изобретенная турбина, в отличие от известных, вырабатывает в несколько раз больше механической и соответственно электрической мощности, чем тепловой. При ее использовании для генерации электроэнергии обеспечится снижение стоимости последней в несколько раз.
Использование в конструкции турбины объемного расширения жестких выступов вместо обычных лопастей и веерных лопаток, обеспечивает не только резкое снижение требований к качеству пара и возможность работы ее на влажном газе и паре, но и работу с генерированием газоконденсатной смеси в выходной ступени для использования горячего конденсата потребителями тепловой энергии.
Из определения турбина «объемного расширения» следует, что для создания главной механической характеристики двигателя, такой как крутящий момент, для нее требуется удельный расход рабочего тела в 6-7 раз меньший, чем в известных газовых и паровых турбинах, использующих кинетическую энергию потока.
В турбине, при объемном расширении поток рабочего тела движется со скоростью, равной скорости движения органа воспринимающего его давление - поршень, лопасть или лопатка, поэтому она в несколько раз эффективнее и экономичнее традиционных турбин, использующих кинетическую энергию потока рабочего тела. Кроме того, учитывая то, что мощность двигателя равна произведению крутящего момента на количество оборотов, можно сделать вывод и о том, что для создания эквивалентной обычным турбинам мощности ей потребуется значительно меньшее число оборотов. Соответственно она будет иметь и более лучшие удельные габаритно-массовые характеристики.
При переходе энергомашиностроения на турбины объемного расширения обеспечится резкое снижение стоимости изготовления энергетических установок, их габаритов и материалоемкости, многократное снижение удельного расхода пара и, соответственно, топлива на его генерацию, снижение сброса газов и теплоты из конденсаторов в атмосферу и водоемы, и, соответственно, резкое повышение газовой и тепловой экологичности.
Наибольший эффект обеспечится в мобильных транспортных средствах - надводных и подводных судах, особенно при использовании в энергетической установке АПЛ с созданием эквивалентной мощности что и при использовании обычных турбин.
Так, вместо 2-х атомных реакторов, двух турбин и значительной по размерам конденсационной системы, используемых в российских подлодках последних проектов, потребуется лишь один реактор, сократится состав элементов самой энергетической установки. Не нужны будут электрогенераторы, тяговые электродвигатели, и понижающие редукторы. Резко сократится размер конденсационной установки, высвободятся площади для размещения полезной нагрузки - ракет, сократится персонал, обслуживающий энергетическую установку.