ДИСК РАБОЧЕГО КОЛЕСА ДИСКОВОЙ ТУРБИНЫ ТРЕНИЯ

Полезная модель относится к турбомашинам, в частности к турбинам, использующим трение рабочего тела, а именно к конструкции диска рабочего колеса дисковой турбины трения.
Известна турбина трения Тесла, включающая корпус и ротор, выполненный в виде дискового рабочего колеса, установленного на валу в цилиндрической полости корпуса [US 1061206, 06.05.1913]. Дисковое рабочее колесо состоит из множества дисков одного диаметра, установленных соосно с осевыми зазорами относительно друг друга. Каждый диск выполнен тонким и гладким и имеет выходное отверстие в центральной части. При работе такой турбины трения, рабочее тело (газ или жидкость) подается через направляющий или сопловой аппарат, выполненный на периферии цилиндрической полости корпуса, в осевые зазоры между дискам рабочего колеса тангенциально, проходит через проточную часть рабочего колеса, сформированную осевыми зазорами, где расширяется и отдает часть кинетической энергии рабочему колесу за счет сил вязкого трения между потоком рабочего тела (от радиальной составляющей его скорости) и торцевыми поверхностями дисков, и отводится из рабочего колеса через выходные отверстия дисков/Такая классическая дисковая турбина трения имеет такие преимущества, как простота конструкции, низкая стоимость изготовления и обслуживания, бесшумность работы. Однако, к.п.д. такой турбины является низким.
В ряде известных конструкций, примеры которых приведены ниже, используется оптимизация проточной части рабочего колеса за счет формирования в осевых зазорах между дисками каналов и/или выполнения лопаток для увеличения к.п.д. дисковой турбины трения за счет придания потоку рабочего тела оптимальной траектории движения в проточной части.
Известно рабочее колесо дисковой турбины трения, в проточной части между дисками которого выполнены спиральные каналы, выполненные на торцевой поверхности диска с равным шагом и расширяющиеся в направлении от внешней периферии к выходному отверстию [US 2952448А, 13.09.1960]. Однако, из-за малой степени парциальности на входе рабочего тела в спиральные каналы на внешней периферии рабочего колеса, в такой дисковой турбине трения велики потери, связанные с такой малой парциальностью, в частности потери в радиальном зазоре между рабочим колесом и цилиндрической полостью корпуса, что определяет низкий к.п.д. такой турбины.
Известны рабочие колеса дисковой турбины трения, в проточной части между дисками которых выполнены радиальные лопатки по аналогии с лопаточными радиальными турбинами. Например, в одном из таких рабочих колес, множество радиальных лопаток с тангенциальной ориентацией межлопаточных каналов выполнено на внешней периферийной части торцевой поверхности диска с равным шагом по его окружности, а множество дополнительных радиальных лопаток с радиальной ориентацией межлопаточных каналов дополнительно выполнено с равным шагом на части торцевой поверхности диска у его выходного отверстия [US 706290081, 20.01.2006]. Между тем, поскольку окружная скорость при вращении рабочего колеса является самой высокой на его внешней периферии, то наличие в этой области большого количества радиальных лопаток приводит к увеличению вентиляционных потерь, что определяет относительно низкий к.п.д. дисковой турбины трения с таким рабочим колесом.
Известна многодисковая турбина трения с тангенциальным подводом газа на периферии и отводом газа в центре турбины, в проточной части рабочего колеса которой установлены изогнутые перегородки, выполненные в виде буртиков на торцевых поверхностях дисков [SU 128235, Бюл. №9, 1960]. Буртики имеют одинаковую высоту, равную величине осевого зазора между двумя соседними дисками, начинаются от внешнего края каждого из дисков и далее идут по одинаковым спиральным линиям, заканчиваясь непосредственно у выходного отверстия. Такие спиральные буртики размещены на торцевой поверхности каждого диска с равным шагом. Угловая длина спирального буртика составляет менее 2 л рад. В другой подобной конструкции [СА 2498635А1, 28.08.2006], спиральный буртик выполнен более коротким, и его угловая длина составляет менее π/4 рад. Такие многодисковые турбины эффективны только для использования для достаточно узких режимов работы, т.к. вся траектория движения потока рабочего тела определена спиральными буртиками вдоль всей проточной части, и даже при незначительном изменении расчетных режимов работы многодисковой турбины трения, ее к.п.д. значительно снизится из-за разницы между оптимальной траекторией движения потока рабочего тела для такого режима работы и траекторией, полностью заданной спиральными буртиками по всей длине проточной часть рабочего колеса.
В качестве прототипа выбран диск рабочего колеса дисковой турбины трения [US 4036584А, 19.07.1977], подобной последним из вышеописанных. Диск такого известного рабочего колеса выполнен тонким гладким и имеет тарельчатую форму. В центре диска выполнено круглое выходное отверстие. На одной торцевой поверхности тела диска выполнен спиральный буртик, проходящий от внешнего края диска по спирали до выходного отверстия и имеющий одинаковую высоту по его длине, которая равна величине осевого зазора между соседними дисками рабочего колеса. Угловая длина спирального буртика составляет более 2π рад. Несмотря на то, что спиральный буртик имеет небольшие разрывы по его длине, такой турбине трения также присущи недостатки, отмеченные выше, что приводит к снижению к.п.д. при изменении режима работы.
Технической задачей, для решения которой предлагается полезная модель, является обеспечение высокого к.п.д. дисковой турбины трения при различных режимах работы за счет оптимизации проточной части рабочего колеса, обеспечиваемой предлагаемой конструкцией диска рабочего колеса.
Для решения поставленной технической задачи предлагается диск рабочего колеса дисковой турбины трения, включающий: тело диска, выполненное тонким с гладкими торцевыми поверхностями; выходное отверстие, выполненное в центральной части тела диска; и по крайней мере один спиральный буртик, выполненный по крайней мере на одной торцевой поверхности тела диска, проходящий от внешнего края тела диска по спирали в направлении выходного отверстия и имеющий одинаковую высоту по его длине, которая равна величине осевого зазора между соседними дисками рабочего колеса. Новым является то, что спиральный буртик выполнен только на периферийном участке торцевой поверхности тела диска, т.е. на кольцевом участке, ограниченном внешним диаметром тела диска и окружностью, которая расположена ближе к внешнему краю тела диска, чем к внешнему краю выходного отверстия, другими словами расположенной на расстоянии от внешнего края тела диска, которое меньше половины разницы между внешним диаметром тела диска и внешним диаметром выходного отверстия.
Такая конструкция позволяет максимально использовать кинетическую энергию потока рабочего тела при его входе в рабочее колесо на его внешней периферии с созданием максимального крутящего момента за счет максимального срабатывания потока рабочего тела на участках наибольших диаметров диска рабочего колеса, и далее позволяет потоку рабочего тела передавать оставшуюся кинетическую энергию при движении в проточной части рабочего колеса до выходного отверстия по оптимальной траектории, которая может изменяться в зависимости от режима работы, благодаря отсутствию буртика на соответствующем участке диска у выходного отверстия.
Если в конструкции имеется один спиральный буртик, то желательно, чтобы он имел угловую длину более 2π рад. За счет этого, начальный участок спирального буртика и его конечный участок, т.е. участок в промежуточной области торцевой поверхности диска, начинающийся с угловой длины 2π рад, формируют на внешней периферии оптимальный канал для тангенциального входа рабочего тела в рабочее колесо.
Конструкция может включать два или более спиральных буртика одинаковой формы, размеров и ориентации, расположенных по окружности периферийного участка торцевой поверхности тела диска с равным шагом. При этом, предпочтительно, чтобы каждый спиральный буртик имел угловую длину более 2π/n, где n - количество спиральных буртиков. За счет этого, начальный участок одного спирального буртика и конечный участок соседнего спирального буртика, т.е. участок в промежуточной области торцевой поверхности диска, начинающийся с угловой длины 2π/n рад, формируют на внешней периферии диска оптимальный канал для тангенциального входа рабочего тела в рабочее колесо.
Диск может дополнительно включать множество радиальных лопаток, выполненных на торцевой поверхности тела диска на участке торцевой поверхности тела диска у выходного отверстия с равным шагом по окружности и имеющих высоту, равную высоте спирального буртик, при этом участок торцевой поверхности тела диска с радиальными лопатками на кольцевом участке ограничен внешним диаметром выходного отверстия и окружностью, которая расположена ближе к внешнему краю выходного отверстия, чем к внешнему краю тела диска, другими словами расположенной на расстоянии от внешнего края выходного отверстия, которое составляет меньше половины разницы между внешним диаметром тела диска и внешним диаметром выходного отверстия. Геометрия радиальных лопаток выбирается в зависимости от требований эксплуатации. Например, обеспечивается такая геометрия радиальных лопаток, которая позволяет потоку рабочего тела выходит в выходное отверстие в преимущественно радиальном направлении для уменьшения выходных потерь.
Далее предлагаемая полезная модель поясняется на примерах, носящих иллюстративный характер и сопровождающихся чертежами, на которых представлено:
фиг.1 - общий вид в аксонометрии диска рабочего колеса дисковой турбины трения по первому примеру;
фиг.2 - общий вид в аксонометрии диска рабочего колеса дисковой турбины трения по второму примеру. Пример 1.
Как показано на фиг.1, диск рабочего колеса дисковой турбины трения включает тело диска 1, выходное отверстие 2, спиральные буртики 3 и монтажные отверстия 4.
Тело диска 1 выполнено круглым из металла, является гладким и тонким, что понимается в данной области техники, как то, что толщина тела диска выполнена много меньше, чем его внешний диаметр, и в данном примере имеет выходное отверстие 2, выполненное в виде круглого центрального отверстия. Тело диска 1 может быть плоским, как показано на фиг.1, или может иметь тарельчатую форму, как описано выше для конструкции, известной из US 4036584 А.
На одной торцевой поверхности тела диска с равным угловым шагом выполнено четыре спиральных буртика 3 одинаковой формы, размеров и ориентации. Высота каждого из спиральных буртиков 3 является постоянной по его длине и выбирается равной величине осевого зазора между соседними дисками рабочего колеса, для использования в котором предназначен диск. Каждый из спиральных буртиков 3 начинается от внешнего края тела диска 1, далее проходит по спирали по периферийному участку торцевой поверхности тела диска 1 и заканчивается на расстоянии от внешнего края тела диска 1, равному одной четверти разницы между внешним диаметром тела диска 1 и внешним диаметром выходного отверстия 2. Каждый спиральный буртик 3 имеет угловую длину, равную 3π/2 рад. Толщина буртиков 3 предпочтительно выбирается не больше толщины тела диска 1. Возможны варианты изготовления буртиков 3 как за одно целое вместе с телом диска 1, так и отдельно с последующим закреплением на торцевой поверхности тела диска 1 подходящим способом.
Монтажные отверстия 4 продемонстрированы здесь в качестве одного из примеров элементов для монтажа диска в составе дискового рабочего колеса.
Как и известных дисковых турбинах трения, при формировании ротора дисковой турбины трения из дисков, показанных на фиг.1 и имеющих одинаковый внешний диаметр, эти диски стягиваются друг с другом соосно оси вала рабочего колеса с помощью монтажных отверстий 4 с формированием в периферийной проточной части рабочего колеса периферийных спиральных каналов по числу спиральных буртиков 3, т.е. четырех спиральных каналов. Очевидно, что один из крайних дисков рабочего колеса выполняется без спиральных буртиков 3, т.е. с гладкими торцевыми поверхностями с обеих сторон. Сформированный таким образом ротор устанавливается в цилиндрической полости корпуса дисковой турбины трения, который снабжен подходящим направляющим или сопловым аппаратом, выполненным на периферии цилиндрической полости корпуса (не показано).
При работе такой дисковой турбины трения, рабочее тело (газ или жидкость) подается в дисковое рабочее колесо через направляющий или сопловой аппарат и тангенциально входят в периферийные спиральные каналы между соседними дисками, каждый из которых на входе образован начальным участком одного спирального буртика 3 и конечным участком соседнего спирального буртика 3. Здесь, большая часть кинетической энергии потока рабочего тела за счет сил вязкого трения преобразуется в крутящий момент на валу дискового рабочего колеса, а оставшаяся часть кинетической энергии потока рабочего тела передается рабочему колесу при движении его в проточной части после окончания спиральных буртиков 3 до выходного отверстия 2 по оптимальной траектории, которая может изменяться в зависимости от режима работы, благодаря отсутствию спирального буртика 3 в этой области проточной части дискового рабочего колеса. Далее, сработавший поток рабочего тела выводится наружу через выходные отверстия 2. Пример 2.
Конструкция диска рабочего колеса, показанного на фиг.2, и способ работы дискового рабочего колеса, состоящего из таких дисков, подобны описанным в примере 1 выше с некоторыми отличиями, приведенными далее.
Как показано на фиг.2, в конструкции диска дискового рабочего колеса имеется один спиральный буртик 3, имеющий угловую длину 7π/3 рад и заканчивающийся на расстоянии от внешнего края тела диска 1, равному одной пятнадцатой разницы между внешним диаметром тела диска 1 и внешним диаметром выходного отверстия 2. Кроме того, здесь имеется множество радиальных лопаток 5, выполненных на той же торцевой поверхности тела диска 1 на кольцевом участке у выходного отверстия 2 с равным шагом по окружности и имеющих высоту, равную высоте спирального буртика 3. Геометрия и число радиальных лопаток 5 выбраны так, чтобы при работе дискового рабочего колеса поток рабочего тела выходил в выходное отверстие 2 в преимущественно радиальном направлении. Кольцевой участок торцевой поверхности тела диска 1 с радиальными лопатками 5 ограничен внешним диаметром выходного отверстия 2 и окружностью, расположенной на расстоянии от внешнего края выходного отверстия 2, которое в восемь раз меньше половины разницы между внешним диаметром тела диска 1 и внешним диаметром выходного отверстия 2.
При формировании ротора дисковой турбины трения из дисков, показанных на фиг.2, в периферийной проточной части рабочего колеса формируется периферийный спиральный канал с угловой длиной π/3 между начальным участком спирального буртика 3 и его конечный участком, и при работе такого дискового рабочего колеса рабочее тело сначала входит в этот периферийный спиральный канал, после окончания спирального буртика 3 движется по оптимальной траектории в гладкой проточной части до радиальных лопаток 3 и выходит через них из дискового рабочего колеса через выходные отверстия 2 в радиальном направлении.
Приведенные выше примеры были использованы только для целей иллюстрации возможности осуществления заявленной полезной модели. Эти примеры не предназначены для ограничения объема правовой охраны, представленного в формуле, при этом специалист в данной области относительно просто способен осуществить и другие варианты осуществления полезной модели без отхода от сущности заявленной полезной модели.