ТУРБИННЫЙ ПРИВОД

Полезная модель относится к области турбинных приводов, применяемых, в частности, в ручных пневматических машинах.
Известны турбины со 100% степенью реактивности, называемые сокращенно реактивными турбинами, в которых преобразование потенциальной энергии давления в кинетическую энергию потока газа происходит в сопловом аппарате, расположенном на вращающемся роторе (А.Г. Курзон. Теория судовых паровых и газовых турбин, с. 77, с. 92. Л.: «Судостроение», 1979. - 592 с). В большинстве конструкций реактивных турбин в сопловом аппарате реализуется течение газа в центробежном направлении (Патент РФ №2303137, F01D 1/32, 2007). Основными преимуществами реактивных турбин являются простота конструкции и компактность и технологичность.
Производительность процесса обработки деталей и качество выполняемых поверхностей во многом определяется стабильностью частоты вращения ротора пневматической машины при изменяющейся нагрузке. Это обусловливает необходимость установки в пределах ее корпуса регулятора частоты вращения ротора. Практика показывает, что наиболее эффективными являются регуляторы частоты вращения ротора, действие которых основано на реализации принципа отрицательной обратной связи между площадью проходного сечения проточной части привода пневматической машины и частотой вращения ротора.
Известен пневматический двигатель (Патент РФ №2406828, F01D 15/06, 2010), у которого исполнительным элементом регулятора частоты вращения ротора является упругое кольцо, размещенное в кольцевой камере. В момент запуска пневматического двигателя упругое кольцо находится в недеформированном состоянии, а проходное сечение проточной части пневматического двигателя остается свободным. Упругое кольцо имеет возможность радиальных перемещений в периферийном направлении и изменения геометрической формы и/или положения под влиянием центробежных сил.
При вращении ротора пневматического двигателя упругое кольцо под действием центробежных сил осуществляет радиальное перемещение в периферийном направлении, получая эластическую деформацию. При этом упругое кольцо, сохраняя соосность оси вращения ротора, частично перекрывает поперечное сечение выходных отверстий кольцевой камеры. Величина перекрытой площади поперечного сечения выходных отверстий зависит от частоты вращения ротора пневматического двигателя.
Недостатком конструкции является ее громоздкость, так как регулятор частоты вращения ротора располагается в корпусе пневматического двигателя как отдельный конструктивный элемент.
Известен турбинный привод (Патент США №4776752, 1988), который выбран за прототип. Турбинный привод содержит ротор с осью вращения, включающий в себя вал, размещенные на валу центробежный сопловой аппарат, регулятор частоты вращения ротора, выполненный в виде кольцевой камеры с упругим кольцом, и подводящее устройство, сообщенное с регулятором частоты вращения ротора, причем кольцевая камера образована двумя боковыми стенками и соосной оси вращения ротора цилиндрической стенкой и расположена с внутренней стороны центробежного соплового аппарата, а упругое кольцо размещено в осевом зазоре между боковыми стенками кольцевой камеры с возможностью радиальных перемещений в периферийном направлении.
Упругое кольцо установлено с внутренней стороны цилиндрической стенки с прилеганием к внутренней радиальной поверхности последней. Цилиндрическая стенка ограничивает кольцевую камеру по периферийному сечению и отделяет ее от дополнительной камеры. Последняя, в свою очередь, сопряжена с центробежным сопловым аппаратом. Для прохода потока газа из кольцевой камеры в дополнительную камеру в цилиндрической стенке выполнены сквозные прорези.
Во время работы турбинного привода поток газа поступает в кольцевую камеру через подводящее устройство. Затем поток газа проходит из кольцевой камеры через упомянутые сквозные прорези в дополнительную камеру и далее поступает в центробежный сопловой аппарат. Далее поток газа передает свою энергию ротору и выходит из турбинного привода.
Принцип действия регулятора основан на возможности изменения площади поперечного сечения сквозных прорезей в зависимости от частоты вращения ротора турбинного привода. Исполнительным элементом регулятора частоты вращения ротора турбинного привода является упругое кольцо, размещенное в кольцевой камере. В момент запуска турбинного привода упругое кольцо находится в недеформированном состоянии, а проходное сечение проточной части турбинного привода остается свободным. При работе турбинного привода упругое кольцо вращается совместно с ротором, взаимодействуя с внутренней радиальной поверхностью цилиндрической стенки кольцевой камеры. При этом упругое кольцо под действием центробежных сил осуществляет радиальное перемещение в периферийном направлении, сплющиваясь и получая эластическую поперечную деформацию. Величина перекрытой площади поперечного сечения сквозных прорезей зависит от частоты вращения ротора турбинного привода.
Описываемый турбинный привод конструктивно прост, компактен и технологичен. Однако его существенным недостатком является относительно малая абсолютная величина эластической поперечной деформации упругого кольца при его сплющивании под воздействием центробежных сил. Это не позволяет оказывать эффективное воздействие на площадь проходного сечения проточной части турбинного привода при относительно низких частотах вращения ротора. Поэтому турбинный привод имеет ограниченное применение и не может использоваться в пневматических машинах с частотой вращения ротора, не превышающей 25000 об/мин.
Задача, решаемая предлагаемой полезной моделью, - совершенствование конструкции турбинного привода.
Технический результат от использования полезной модели заключается в повышении эффективности регулирования частоты вращения ротора и расширении области возможного применения турбинного привода.
Указанный результат достигается тем, что в турбинном приводе, содержащем ротор с осью вращения, включающий в себя вал, размещенные на валу центробежный сопловой аппарат, регулятор частоты вращения ротора, выполненный в виде кольцевой камеры с упругим кольцом, и подводящее устройство, сообщенное с регулятором частоты вращения ротора, причем кольцевая камера образована двумя боковыми стенками и соосной оси вращения ротора цилиндрической стенкой и расположена с внутренней стороны центробежного соплового аппарата, а упругое кольцо размещено в осевом зазоре между боковыми стенками кольцевой камеры с возможностью радиальных перемещений в периферийном направлении, кольцевая камера по своему периферийному сечению сопряжена с центробежным сопловым аппаратом, а по своему внутреннему сечению ограничена вышеупомянутой цилиндрической стенкой, подводящее устройство выполнено в виде окон, прорезающих, по меньшей мере, одну из двух вышеупомянутых боковых стенок, упругое кольцо размещено с наружной стороны цилиндрической стенки и установлено с одновременным прилеганием к наружной поверхности цилиндрической стенки и обращенным друг к другу поверхностям боковых стенок, а периферийные границы окон расположены в едином цилиндрическом сечении.
На фиг. 1 приведен продольный разрез турбинного привода в момент запуска; на фиг. 2 - продольный разрез турбинного привода в процессе работы; на фиг. 3 - сечение Α-A на фиг. 1; на фиг. 4 - сечение Б-Б на фиг. 1.
Турбинный привод содержит ротор с осью вращения, включающий в себя вал 1, размещенные на валу центробежный сопловой аппарат 2, регулятор частоты вращения ротора, выполненный в виде кольцевой камеры 3 с упругим кольцом 4, и подводящее устройство.
1
Кольцевая камера 3 образована двумя боковыми стенками 5 и 6 и соосной оси вращения ротора цилиндрической стенкой 7, расположена со стороны входного сечения центробежного соплового аппарата, по своему периферийному сечению сопряжена с центробежным сопловым аппаратом, а по своему внутреннему сечению ограничена наружной поверхностью цилиндрической стенки 7, диаметр цилиндрического сечения которой обозначен D. Цилиндрическая стенка 7 может быть выполнена как отдельный конструктивный элемент или за одно целое с валом 1.
2
Подводящее устройство выполнено в виде окон 8, сообщенных с кольцевой камерой 3, прорезающих, по меньшей мере, одну из двух вышеупомянутых боковых стенок. В рассматриваемом варианте конструкции окна 8 прорезают боковую стенку 5. У всех окон 8 периферийные границы расположены в едином цилиндрическом сечении, диаметр которого обозначен D. Корпус 9 турбинного привода разделен на две части: ресивер высокого давления 10 и ресивер низкого давления 11. Окна 8 сообщены с ресивером высокого давления 10 через центральное отверстие 12, выполненное в торцевой поверхности вала 1, и радиальные отверстия 13, выполненные в радиальной поверхности вала 1. Выходное сечение центробежного соплового аппарата 2 сообщено с ресивером низкого давления 11, который, в свою очередь, через выполненные в корпусе 9 отверстия 14 сообщен с атмосферой.
Упругое кольцо 4 размещено в кольцевой камере 3 с наружной стороны цилиндрической стенки 7 в осевом зазоре между боковыми стенками 5 и 6 и установлено с одновременным прилеганием к наружной поверхности цилиндрической стенки 7 и обращенным друг к другу поверхностям боковых стенок 5 и 6. В момент запуска турбинного привода упругое кольцо 4 находится в недеформированном состоянии, одновременно прилегая к наружной поверхности цилиндрической стенки 7 и обращенным друг к другу поверхностям боковых стенок 5 и 6. Соосность упругого кольца 4 оси вращения ротора обеспечивается его прилеганием к наружной поверхности цилиндрической стенки 7.
1
2
Упругое кольцо 4 имеет возможность радиальных перемещений в периферийном направлении под действием центробежных сил. Передача вращения от ротора упругому кольцу 4 осуществляется боковыми стенками 5 и 6. Для передачи вращения от ротора упругому кольцу 4 на участке, простирающемся в диаметральном направлении от наружной поверхности цилиндрической стенки 7, диаметр которой обозначен D, до периферийной границы окон 8, диаметр которой обозначен D, в рассматриваемой конструкции турбинного привода предусмотрен контакт обращенных друг к другу поверхностей боковых стенок 5 и 6 с поверхностью упругого кольца 4.
Контакт может быть обеспечен тем, что осевой зазор между боковыми стенками на указанном участке в цилиндрическом сечении любого диаметра эквивалентен ширине упругого кольца, растянутого до этого же диаметра. При растяжении упругого кольца 4 под воздействием центробежных сил его ширина уменьшается. В качестве примера рассмотрим упругое кольцо, имеющее круглую форму поперечного сечения. В этом случае ширина растянутого упругого кольца эквивалентна диаметру его поперечного сечения, который рассчитывается по формуле:
3
где D - средний диаметр упругого кольца 4 в недеформированном состоянии;
4
D - средний диаметр растянутого упругого кольца 4;
1
d - диаметр поперечного сечения упругого кольца 4 в недеформированном состоянии;
2
d - диаметр поперечного сечения растянутого упругого кольца 4.
Уплотнительная втулка 15 установлена в корпусе 9 между ресивером высокого давления 10 и ресивером низкого давления 11. Внутренняя цилиндрическая поверхность уплотнительной втулки 15 соосна оси вращения ротора и установлена с зазором по отношению к цилиндрической поверхности вала 1.
Турбинный привод работает следующим образом. Поток газа из ресивера высокого давления 10 через центральное отверстие 12 и радиальные отверстия 13 попадает в окна 8 (изображено стрелками). Затем поток газа поступает в кольцевую камеру 3 и далее в центробежный сопловой аппарат 2 (изображено стрелками). В центробежном сопловом аппарате 2 поток газа передает свою энергию ротору и попадает в ресивер низкого давления 11. Далее поток газа выходит в атмосферу через выполненные в корпусе 9 отверстия 14 (изображено стрелками).
Уплотнительная втулка 15 не позволяет потоку газа перетекать из ресивера высокого давления 10 в ресивер низкого давления 11, минуя сопловой аппарат 2. Посадка внутренней цилиндрической поверхности уплотнительной втулки 15 с зазором по отношению к цилиндрической поверхности вала 1 обеспечивает беспрепятственное вращение ротора в процессе работы турбинного привода.
Принцип действия регулятора основан на возможности изменения площади поперечного сечения окон 8 в зависимости от частоты вращения ротора турбинного привода. Исполнительным элементом регулятора частоты вращения ротора турбинного привода является упругое кольцо 4, размещенное в кольцевой камере 3.
В момент запуска турбинного привода упругое кольцо 4 прилегает к наружной поверхности цилиндрической стенки 7, находясь в недеформированном состоянии. При этом проходное сечение проточной части турбинного привода остается свободным, и поток газа свободно проходит через окна 8. При работе турбинного привода упругое кольцо 4 вращается совместно с ротором, при этом боковые стенки 5 и 6 передают вращения от ротора упругому кольцу 4. Последнее под действием центробежных сил осуществляет радиальное перемещение в периферийном направлении, получая эластическую продольную деформацию. Растягиваясь, упругое кольцо 4 сохраняет соосность оси вращения ротора.
3
4
1
2
При работе турбинного привода со стабильной частотой вращения ротора упругое кольцо 4 занимает положение напротив окон 8, в большей или меньшей степени перекрывая их поперечное сечение. При этом, если поперечное сечение упругого кольца 4 имеет круглую форму, то его средний диаметр по отношению к статическому состоянию изменяется от D до D, а диаметр его поперечного сечения изменяется от d до d.
При резком снижении нагрузки на турбинный привод и соответствующем ему увеличении частоты вращения ротора упругое кольцо 4 дополнительно растягивается в радиальном направлении, и его средний диаметр увеличивается. Соответственно, величина перекрытой площади поперечного сечения окон 8 возрастает, а площадь проходного сечения турбинного привода уменьшается. Это вызывает уменьшение перепада давлений на центробежном сопловом аппарате 2. В результате частота вращения ротора турбинного привода снижается до прежнего значения, а упругое кольцо 4 возвращается в свое первоначальное положение.
При остановке ротора турбинного привода упругое кольцо 4 возвращается в положение прилегания к наружной поверхности цилиндрической стенки 7.
В заявляемом турбинном приводе эластическая поперечная деформация упругого кольца, реализованная в прототипе, была заменена эластической продольной деформацией. Очевидно, что в любом упругом кольце длина окружности во много раз больше его ширины. Соответственно, для упругого кольца при одной и той же величине действующих на него центробежных сил величина абсолютного увеличения длины его окружности при продольной деформации (как в заявляемом турбинном приводе) во много раз больше, чем абсолютное увеличение его ширины при поперечной деформации (как в прототипе). Это повышает эффективность регулирования частоты вращения ротора, расширяет область возможного применения турбинного привода и позволяет использовать его в тихоходных пневматических машинах с частотой вращения ротора менее 25000 об/мин.
Описанный турбинный привод конструктивно прост, компактен и технологичен.