ТУРБИННЫЙ ПРИВОД

Турбинный привод
Полезная модель относится к области турбинных приводов, применяемых, в частности, в ручных пневматических шлифовальных машинах.
Производительность процесса шлифования и качество обрабатываемых поверхностей во многом определяется стабильностью частоты вращения турбинных приводов при изменяющейся нагрузке. Это обусловливает необходимость их оснащения регуляторами частоты вращения, которые должны обладать высоким быстродействием, быть компактными и надежными. Практика показывает, что наиболее эффективными являются регуляторы частоты вращения, принцип действия которых основан на реализации принципа отрицательной обратной связи между расходом газа через турбинный привод и частотой его вращения.
Известен датчик частоты вращения (А.с. СССР №1144092,  G05D 13/04, 1985) с исполнительным элементом, выполненным в виде центробежных грузов и чувствительным элементом, выполненным в виде штока с конусной частью, эквидистантной конусной расточке установленного на валу корпуса. Датчик частоты вращения описанной конструкции совместно с золотником образовал регулятор частоты вращения, который был применен в турбинном пневмодвигателе (А.с. СССР №1809129,  F01D 21/02, 1993). Золотник в турбинном пневмодвигателе был установлен с возможностью осевых перемещений под воздействием штока для воздействия на расход газа через турбинный пневмодвигатель. Турбинный пневмодвигатель содержит радиальную центробежную турбину, центробежные сопловые лопатки которой выполнены на торцевой поверхности золотника. Подвод газа к радиальной центробежной турбине осуществляется с ее внутренней стороны вдоль оси вращения вала.
Недостатком турбинного пневмодвигателя является его конструктивная сложность, а также низкое быстродействие регулирования, обусловленное большой суммарной массой перемещающихся деталей.
Известен турбинный привод (Патент РФ на полезную модель №123839, F01D 21/02, 2013), который выбран за прототип. Турбинный привод содержит вал, корпус с камерой низкого давления, турбинную ступень и регулировочную камеру с упругим кольцом, причем регулировочная камера установлена на валу между турбинной ступенью и камерой низкого давления, образована двумя боковыми стенками и периферийной цилиндрической стенкой и сообщена с камерой низкого давления с помощью группы выпускных окон, выполненных в боковой стенке регулировочной камеры, обращенной к камере низкого давления, и размещенных в соосном валу цилиндрическом сечении, а упругое кольцо размещено соосно валу и установлено  с прилеганием к боковым стенкам регулировочной камеры в цилиндрическом сечении меньшего диаметра, чем внутренний диаметр расположения группы выпускных окон.
В турбинном приводе по прототипу регулировочная камера совместно с упругим кольцом образует регулятор частоты вращения. Регулировочная камера сообщена с выходным сечением турбинной ступени через группу впускных окон, выполненных в боковой стенке регулировочной камеры, обращенной к турбинной ступени. При этом наружный диаметр расположения группы выпускных окон не превышает внутренний диаметр расположения группы впускных окон. Упругое кольцо установлено с возможностью перемещения в центробежном направлении для перекрытия проходного сечения регулировочной камеры на участке между внутренним диаметром расположения группы впускных окон и наружным диаметром расположения группы выпускных окон. Высокое быстродействие регулятора частоты вращения обеспечивается за счет относительно малой массы упругого кольца,  совмещающего в себе функции чувствительного и исполнительного элементов регулятора частоты вращения.
Одним из важнейших требований, предъявляемых к турбинным приводам ручных пневматических шлифовальных машин, является их компактность. В прототипе рассмотрен вариант конструкции турбинного привода, в которой турбинная ступень выполнена в виде радиальной центростремительной турбины, образованной размещенным в корпусе сопловым аппаратом с венцом центростремительных сопловых лопаток и установленным на валу рабочим колесом с венцом центростремительных рабочих лопаток (В.Д. Левенберг. Судовые турбоприводы. Справочник, с.65, рис.4.2,б.  Л.: «Судостроение», 1983. - 328 с.). Радиальная центростремительная турбина энергетически эффективна и технологична, однако ее широкому применению в ручных пневматических шлифовальных машинах препятствует недостаточная компактность, обусловленная подводом газа к турбинной ступени с ее периферийной стороны в плоскости, перпендикулярной оси вращения вала.
Наилучшим образом для применения в турбинных приводах ручных пневматических шлифовальных машин подходит турбинная ступень, выполненная в виде радиальной центробежной турбины, образованной размещенным в корпусе сопловым аппаратом с венцом центробежных сопловых лопаток и установленным на валу рабочим колесом с венцом центробежных рабочих лопаток (В.Д. Левенберг. Судовые турбоприводы. Справочник, с.65, рис.4.2,в.  Л.: «Судостроение», 1983. - 328 с.). Компактность радиальной центробежной турбины достигается за счет подвода газа с ее внутренней стороны вдоль оси вращения вала.
Однако совместное применение радиальной центробежной турбины и регулятора частоты вращения по прототипу не может обеспечить компактности турбинного привода в целом. Это обусловлено конструкцией регулировочной камеры, в которой группа впускных окон выполнена в ее боковой стенке. В регулировочной камере описанной конструкции внутренний диаметр расположения группы впускных окон должен превышать наружный диаметр радиальной центробежной турбины. При этом наружный диаметр регулировочной камеры оказывается существенно выше наружного диаметра радиальной центробежной турбины.
Таким образом, недостатком описанного турбинного привода является недостаточная компактность, которая, в частности, затрудняет его использование в ручных пневматических шлифовальных машинах.
Задача, решаемая предлагаемой полезной моделью, - усовершенствование турбинного привода.
Технический результат от использования полезной модели заключается в повышении компактности турбинного привода.
Указанный результат достигается тем, что в турбинном приводе, содержащем вал, корпус с камерой низкого давления, турбинную ступень и регулировочную камеру с упругим кольцом, причем регулировочная камера установлена на валу между турбинной ступенью и камерой низкого давления, образована двумя боковыми стенками и периферийной цилиндрической стенкой и сообщена с камерой низкого давления с помощью группы выпускных окон, выполненных в боковой стенке регулировочной камеры, обращенной к камере низкого давления, и размещенных в соосном валу цилиндрическом сечении, а упругое кольцо размещено соосно валу и установлено  с прилеганием к боковым стенкам регулировочной камеры в цилиндрическом сечении меньшего диаметра, чем внутренний диаметр расположения группы выпускных окон, с периферийной стороны регулировочной камеры и турбинной ступени размещен перепускной канал, сообщенный с выходным сечением турбинной ступени и регулировочной камерой, причем перепускной канал сообщен с регулировочной камерой с помощью группы впускных окон, выполненных в его периферийной цилиндрической стенке, а упругое кольцо установлено с возможностью перемещения в центробежном направлении для перекрытия проходного сечения регулировочной камеры на участке между наружным диаметром расположения группы выпускных окон и периферийной цилиндрической стенкой.
На фиг.1 приведен продольный разрез турбинного привода. На фиг.2 приведено местное сечение «А» на фиг.1 (в увеличенном масштабе). На фиг.3 приведено сечение «Б-Б» на фиг.1.
1
Турбинный привод содержит вал 1, корпус 2 с камерой низкого давления 3, турбинную ступень и регулировочную камеру 4 с упругим кольцом 5. В рассматриваемом варианте конструкции турбинного привода турбинная ступень выполнена в виде радиальной центробежной турбины, которая, как отмечалось выше, наиболее компактна и может успешно применяться в турбинном приводе ручных пневматических шлифовальных машин. Радиальная центробежная турбина образована установленным в корпусе 2 сопловым аппаратом 6 с венцом центробежных сопловых лопаток 7 и установленным на  валу 1 рабочим колесом 8 с венцом центробежных рабочих лопаток 9. Выходное сечение венца центробежных рабочих лопаток 9 образует выходное сечение турбинной ступени. Наружный диаметр D регулировочной камеры 4 соответствует наружному диаметру рабочего колеса 8. В корпусе 2 с внутренней стороны турбинной ступени размещена камера высокого давления 10, предназначенная для подвода газа к венцу центробежных сопловых лопаток 7.
2
Регулировочная камера 4 установлена на валу 1 между рабочим колесом 8 и камерой низкого давления 3. Регулировочная камера 4 образована боковой стенкой 11, обращенной к турбинной ступени, боковой стенкой 12, обращенной к камере низкого давления 3, и периферийной цилиндрической стенкой 13. Регулировочная камера 4 сообщена с камерой низкого давления 3 с помощью группы выпускных окон 14, выполненных в боковой стенке 12 и размещенных в цилиндрическом сечении, соосном валу 1. Перепускной канал 15 c наружным диаметром D размещен с периферийной стороны регулировочной камеры 4 и сообщен с выходным сечением турбинной ступени. Перепускной канал 15 также сообщен с регулировочной камерой 4 с помощью группы впускных окон 16, выполненных в ее периферийной цилиндрической стенке 13. C наружной стороны периферийной цилиндрической стенки 13, напротив боковой стенки 12 установлено уплотнительное кольцо 17, прикрепленное к корпусу 2.
3
4
5
Регулировочная камера 4 совместно с упругим кольцом 5 образует регулятор частоты вращения. Упругое кольцо 5 размещено соосно валу 1 и установлено с прилеганием к боковым стенкам 11 и 12 регулировочной камеры 4 в цилиндрическом сечении с диаметром D, который меньше, чем внутренний диаметр расположения D группы выпускных окон 14. Упругое кольцо 5 установлено с возможностью перемещения в центробежном направлении для перекрытия проходного сечения регулировочной камеры 4 на участке между наружным диаметром расположения D группы выпускных окон 14 и периферийной цилиндрической стенкой 13.
Турбинный привод работает следующим образом. Поток газа проходит вдоль оси вращения вала 1, разворачивается в центробежном направлении и через камеру высокого давления 10 поступает в центробежную турбину (показано стрелками). Затем поток газа ускоряется в венце центробежных сопловых лопаток 7 соплового аппарата 6 и далее, проходя через венец центробежных рабочих лопаток 9  рабочего колеса 8 (показано стрелками), передает свою энергию валу 1.
За выходным сечение турбинной ступени поток газа поступает в перепускной канал 15. Уплотнительное кольцо 17 препятствует протечке газа из перепускного канала 15 в камеру низкого давления 3. Из перепускного канала 15 поток газа поступает в регулировочную камеру 4 через группу впускных окон 16, выполненных в периферийной цилиндрической стенке 13 (показано стрелками). Пройдя через регулировочную камеру 4, поток газа поступает в камеру низкого давления 3 через группу выпускных окон 14, выполненных в боковой стенке 12 (показано стрелками). Далее поток газа покидает турбинный привод.
3
4
В момент запуска турбинного привода и на номинальных режимах работы упругое кольцо 5 размещено в регулировочной камере 4 соосно валу в цилиндрическом сечении с диаметром D, который меньше, чем внутренний диаметр расположения D группы выпускных окон 14. Поэтому упругое кольцо 5 не создает сопротивления потоку газа и свободно пропускает его через регулировочную камеру 4.
В процессе работы турбинного привода регулировочная камера 4 вращается совместно с валом 1 и передает вращение упругому кольцу 5. Передача вращения осуществляется за счет контакта упругого кольца 5 с обращенными друг к другу поверхностями боковых стенок 11 и 12.
5
В регуляторе частоты вращения реализован принцип отрицательной обратной связи между расходом газа через турбинный привод и частотой его вращения. При снижении нагрузки на турбинный привод его частота вращения увеличивается. Это приводит к возрастанию центробежных сил, действующих на упругое кольцо 5. В результате упругое кольцо 5, взаимодействуя с обращенными друг к другу поверхностями боковых стенок 11 и 12, преодолевая сопротивление сил упругости, смещается в центробежном направлении и приближается к наружному диаметру расположения D группы выпускных окон 14 (это положение упругого кольца 5 изображено тонкими штрихпунктирными линиями). При этом упругое кольцо 5 сохраняет соосное положение относительно вала 1.
5
В результате смещения в центробежном направлении упругое кольцо 5 частично перекрывает проходное сечение регулировочной камеры 4 на участке между наружным диаметром расположения D группы выпускных окон 14 и периферийной цилиндрической стенкой 13. Из-за возникновения препятствия по ходу потока газа в регулировочной камере 4 уменьшается расход газа через турбинный привод, вместе с ним снижается и частота вращения последнего. При снижении частоты вращения турбинного привода упругое кольцо 5 под воздействием сил упругости смещается в центростремительном направлении и, таким образом, возвращается к положению, обеспечивающему свободный проход потока газа через регулировочную камеру 4.
Описанный регулятор частоты вращения обеспечивает стабильную работу турбинного привода под изменяющейся нагрузкой. Его применение не приводит к возникновению дополнительных потерь энергии на номинальных режимах работы турбинной ступени. Высокое быстродействие регулятора частоты вращения обеспечивается за счет относительно малой массы упругого кольца 5,  совмещающего в себе функции чувствительного и исполнительного элементов регулятора частоты вращения.
1
2
2
При совместном применении в турбинном приводе радиальной центробежной турбины и регулятора частоты вращения описанной конструкции наружный диаметр D регулировочной камеры 4 соответствует наружному диаметру турбинной ступени. При этом перепускной канал 15 заявляемого турбинного привода имеет наружный диаметр D, не превышающий наружный диаметр турбинного привода с обычной радиальной центробежной турбиной (В.Д. Левенберг. Судовые турбоприводы. Справочник, с.65, рис.4.2,в.  Л.: «Судостроение», 1983. - 328 с.). Наружный диаметр D перепускного канала 15 не превышает также и наружный диаметр упомянутого выше турбинного пневмодвигателя с радиальной центробежной турбиной и регулятором частоты вращения (А.с. СССР №1809129,  F01D 21/02, 1993). Это позволяет сделать вывод об улучшении компактности заявляемой турбинного привода по сравнению с прототипом.
Отметим, что регулятор частоты вращения по заявляемой полезной модели может эффективно использоваться не только с радиальной центробежной, но и с осевой турбинной ступенью, также обеспечивающей высокую компактность турбинного привода за счет возможности осуществления подвода газа вдоль оси вращения вала.
Турбинный привод энергетически эффективен, прост и технологичен. Его основные элементы могут изготавливаться на обычном обрабатывающем оборудовании.