ЛОПАТОЧНАЯ МАШИНА

Полезная модель относится к машиностроению, а именно к лопаточным машинам, и предназначена для использования в автомобильном, водном, железнодорожном, авиационном транспорте и гибридных силовых установках.
Из уровня техники известна газотурбинная установка с постоянным давлением сгорания, содержащая компрессор, камеру сгорания, топливный насос, форсунку, газовую турбину, пусковой электродвигатель (Яблоков П.Д., Логинов И.Г. «Паровые и газовые турбоустановки», Москва, Энергоатомиздат, 1988 г., стр.297-298, рис.15, 19).
К недостаткам газотурбинной установки с постоянным давлением сгорания можно отнести сложность турбокомпрессорной группы, большие затраты мощности на привод компрессора.
Известна роторная машина, где в цилиндрическом корпусе размещен соосно ротор с лопатками, которые при вращении ротора перемещаются в пазах, выполненных в роторе в радиальном направлении (US, патент №3230840, 418-184, 1966 г.). При возвратно-поступательном движении в пазах лопаток, на которые действуют изгибающие силы, трущиеся поверхности лопаток и ротора быстро изнашиваются. Пазы подвержены засорению частицами от износа контактирующих элементов, а также различными механическими загрязнениями рабочих сред, находящихся в полостях машины. Это может привести к прекращению перемещений лопаток в роторе, что делает машину неработоспособной. Прекращение перемещений лопаток может произойти и из-за их перекосов в пазах в условиях действия разнообразных динамических нагрузок.
Известна роторная машина (US, авторское свидетельство, N 1788305, F 01 C 19/08, 1993 г.) с лопастными роторами, размещенными на валах в цилиндрическом корпусе осесимметрично с ним. Корпус машины имеет
каналы подвода и отвода рабочей среды, снабжен торцевыми крышками, а в пазах на поверхностях лопастей размещены подпружиненные уплотнительные элементы, выполненные в виде осевых и радиальных пластин, а также цилиндрические вкладыши в зоне контакта этих пластин. Данное устройство, имея два коаксиальных рабочих вала, отличается сложной кинематической схемой преобразования неравномерного движения валов. Механизм преобразования движения включает в себя дифференциал и шестерни эллиптической формы. В таком механизме значительны потери энергии, что снижает к.п.д. двигателя. Обеспечить равномерность вращающего момента на выходном валу и повысить мощность двигателя путем увеличения до двух и более числа цилиндров со смещением по фазе рабочих процессов в них и с роторами, размещенными на одних и тех же соответствующих коаксиальных валах, в данном устройстве невозможно. Нельзя использовать и маховичный накопитель энергии непосредственно на коаксиальных валах из-за неравномерности их движения. Наличие подпружиненных цилиндрических вкладышей в зоне контакта осевых и радиальных пластин усложняет конструкцию уплотнения рабочих камер, приводит к неоднородности износа внутренних поверхностей торцевых крышек и цилиндра, увеличивает затраты энергии на преодоление трения в двигателе.
Наиболее близким по конструкции и технической сущности к заявляемому является роторный двигатель (RU, заявка на изобретение №2001104072, приоритет от 14.02.2001 г.). Сущность изобретения заключается в том, что в роторном двигателе, содержащем корпус, роторы компрессора и первичного двигателя, расположенные в обособленных частях корпуса, отделяемых перегородками, синхронизирующие шестерни, установленные на валах роторов, лопатки, закрепленные на роторах, всасывающий и нагнетательный патрубки компрессора, камера сгорания расположена вне первичного двигателя. При этом лопатки периодически
взаимодействуют с рабочей средой и постоянно разделяют рабочие пространства компрессора и первичного двигателя на камеры с повышенным и пониженным давлением рабочей среды, расположенные в обособленных частях корпуса рабочие элементы непрерывно и одновременно взаимодействуют с рабочей средой, образуя единый рабочий орган. Управление процессами газообмена осуществляется посредством рабочих органов.
К недостаткам данного роторного двигателя можно отнести сложность конструкции, большую металлоемкость, недостаточно высокую удельную мощность и экологическую чистоту.
Технический результат предлагаемой полезной модели заключается в упрощении конструкции, расширении функциональных возможностей, повышении мощности и коэффициента полезного действия лопаточной машины.
Технический результат достигается тем, что лопаточная машина содержит впускной канал, корпус, установленные на валах синхронизирующие шестерни, лопатки, выпускной канал. При этом она отличается тем, что на тех же валах внутри корпуса симметрично размещены и жестко закреплены, по крайней мере, два колеса, на которых установлены лопатки, при этом расстояние между валами и расположение лопаток на турбинных колесах определяется возможностью свободного взаимного вхождения лопаток одного турбинного колеса в межлопаточное пространство другого турбинного колеса с минимальным зазором между концом лопатки одного турбинного колеса и другим турбинным колесом, обеспечивающим свободное вращение лопаток, причем вращение первого и второго турбинных колес с лопатками осуществляется в противоположные стороны, источник энергии находится вне корпуса лопаточной машины.
Конструкция лопаточной машины показана на чертеже, где
1 - корпус;
2 - впускной канал;
3 - первый вал;
4 - второй вал;
5 - синхронизирующие шестерни;
6 - лопатки;
7 - первое турбинное колесо;
8 - второе турбинное колесо;
9 - выпускной канал.
Лопаточная машина содержит корпус 1, состоящий из двух отсеков, впускной канал 2, обеспечивающий поступление рабочего тела из автономной камеры сгорания (паровой установки) в корпус 1. Внутри корпуса находятся первый вал 3 и второй вал 4. В одном из отсеков корпуса 1 на валах 3, 4 установлены синхронизирующие шестерни 5, обеспечивающие синхронность угловых скоростей элементов механизма лопаточной машины. Лопатки 6 размещены на первом турбинном колесе 7 и втором турбинном колесе 8, которые симметрично установлены и жестко закреплены на валах 3, 4 внутри другого отсека корпуса 1.
При этом расстояние между валами 3, 4 и расположение лопаток 6 на турбинных колесах 7, 8 определяется возможностью свободного взаимного вхождения лопаток 6 одного турбинного колеса 7 в межлопаточное пространство другого турбинного колеса 8 с минимальным зазором между концом лопатки 6 одного турбинного колеса 7 и другим турбинным колесом 8, обеспечивающим свободное вращение лопаток 6. Причем вращение первого 7 и второго 8 турбинных колес с лопатками 6 осуществляется в противоположные стороны. Лопатки турбинных колес 6 находятся в кольцевых каналах корпуса 1. Между лопатками 6 и внутренней поверхностью корпуса 1 в рабочей зоне обеспечивается
минимальный зазор, исключающий трение лопаток 6 о стенки корпуса 1. Турбинные колеса 7, 8 закреплены на валах 3, 4 с возможностью поочередного прохождения их лопаток через рабочую зону корпуса.
Источник энергии находится вне корпуса лопаточной машины (на чертеже не показан). Посредством выпускного канала 9 осуществляется выход отработавшего рабочего тела (пара, газа).
Работа лопаточной машины осуществляется следующим образом.
Рабочее тело (пар, газ) под давлением поступает из автономного источника энергии в рабочую зону корпуса 1 лопаточной машины через впускной канал 2. При этом одна из лопаток 6 первого колеса турбины 7, находящаяся в рабочей зоне, занимает положение, при котором ее плоскость параллельна входящему потоку рабочего тела, а плоскость одной из лопаток 6 второго колеса турбины 8, находящейся в рабочей зоне, расположена под некоторым углом к входящему потоку рабочего тела.
Сила давления рабочего тела, поступающего в рабочую зону корпуса 1, попеременно воздействует на лопатки 6 первого 7 и второго 8 турбинных колес, закрепленных на параллельно установленных внутри корпуса 1 валах 3, 4. Турбинные колеса 7, 8 закреплены на валах 3, 4 с возможностью поочередного прохождения их лопаток 6 через рабочую зону корпуса 1 и вращаются в противоположные стороны под действием рабочего тела. Лопатки 6 турбинных колес 7, 8 находятся в кольцевых каналах корпуса 1. Между лопатками 6 и внутренней поверхностью корпуса 1 в рабочей зоне обеспечивается минимальный зазор, исключающий трение лопаток 6 о стенки корпуса 1.
Чтобы колеса начали вращаться, создается разница между давлением на лопатки, входящие в зону кольцевого канала и лопатки, находящиеся в зацеплении колес, за счет их взаимного перекрытия. Радиальное плечо будет равно сумме внешних радиусов двух колес минус сумма внутренних радиусов. Большое радиальное плечо позволяет получить огромный
крутящий момент на выходном валу даже при низком поступающем давлении газа или пара от источника энергии в корпус 1. Давление позволяет получить на валу малогабаритной турбины огромный крутящий момент и большую удельную мощность и КПД, а также обеспечить мгновенный запуск при низких температурах. Конструкция лопаточной машины допускает реверсирование и большие перегрузки, обладает свойством обратимости и может быть использована как компрессор и насос. Лопаточная машина проста в изготовлении, так как позволяет использовать турбинные колеса и лопатки простой геометрической формы. При этом турбинные колеса могут быть изготовлены из керамики, а количество лопаток на каждом турбинном колесе может быть минимальным.
Взаимотрущиеся детали отсутствуют, кроме опоры вала (подшипники качения). Не нужны смазка, жидкая система охлаждения, редуктор, т.к. сам двигатель является газодинамической коробкой передачи скоростей, обеспечивающей нужную величину крутящего момента на валу и частоту вращения вала.
Удельная мощность лопаточной машины 70-100 Г на одну лошадиную силу. Лопаточная машина имеет непревзойденный ресурс, хорошее управление и запуск, высокую степень надежности и защиту от перегрузки на валу. Например, лопаточная машина с рабочим колесом диаметром 20 см, длиной по оси 22 см, при полностью заторможенном вале, при поддержании давления в камере сгорания (парогенераторе) 30 атмосфер будет иметь крутящий момент на выходном валу - 120 кгс·м. Рабочий диапазон частоты вращения вала от 0 до 15000 об/мин. Конечная частота в разнос.
Лопаточная машина с рабочим колесом диаметром 1 м длиной по оси 30 см при поддержании давления рабочего тела 30 атмосфер будет иметь на валу крутящий момент 6000 кгс·м.