МНОГОВЕНЕЧНАЯ РАДИАЛЬНАЯ ТУРБИНА

Полезная модель относится к области малоразмерных пневмоприводов с турбинными ступенями, применяемых, в частности, в ручных шлифовальных машинах.
Известна многовенечная радиальная турбина (см. Патент РФ на полезную модель №34643, F01D 1/10. Многовенечная радиальная турбина / Кузнецов Ю.П. и др. Опубл. 10.12.2003), содержащая рабочее колесо, представляющее собой диск, на двух боковых поверхностях которого размещены рабочие лопаточные венцы. Турбина содержит корпус с участком, охватывающим рабочее колесо по периферии. На внутренней поверхности указанного участка корпуса напротив цилиндрической поверхности рабочего колеса закреплен промежуточный направляющий аппарат. Последний выполнен в виде венца аксиальных направляющих лопаток, образующих боковые стенки межлопаточных каналов (МЛК). Конструкция промежуточного направляющего аппарата предусматривает возможность установки кольцевого барьера, размещенного с внутренней стороны венца аксиальных направляющих лопаток, отделяющего поток в промежуточном направляющем аппарате от диска рабочего колеса. Кольцевой барьер предназначен для устранения потерь, вызванных взаимодействием потока с наружной поверхностью диска рабочего колеса.
В зоне расположения промежуточного направляющего аппарата поток совершает сложное пространственное движение, включая разворот в продольном сечении турбины на 90° с центробежного направления на осевое, закрутку в тангенциальном направлении и разворот в продольном сечении турбины на 90° с осевого направления на центростремительное. Разворот потока в продольном сечении турбины осуществляется при его взаимодействии с внутренними поверхностями упомянутого участка корпуса. В процессе разворота потока возникают центробежные силы инерции, которые прижимают поток к указанным поверхностям. При этом течение газа сопровождается значительными потерями, вызванными отрывами потока от стенок аксиальных направляющих лопаток и вторичными течениями в промежуточном направляющем аппарате, а также потерями от трения.
Более эффективной в газодинамическом отношении является многовенечная радиальная турбина (см. Патент США №1037440. Turbine / Dwight S. Cole. Patented Sept.3, 1912), которая выбрана за прототип. Многовенечная радиальная турбина содержит корпус, центробежный сопловой аппарат, вал, рабочее колесо, установленное на валу и выполненное в виде диска, на двух боковых поверхностях которого размещены рабочие лопаточные венцы, причем на боковой поверхности диска рабочего колеса, обращенной к центробежному сопловому аппарату, размещен центробежный рабочий лопаточный венец, а на второй боковой поверхности диска рабочего колеса размещен центростремительный рабочий лопаточный венец, и промежуточный направляющий аппарат, охватывающий рабочее колесо по периферии и установленный с зазором по отношению к последнему, представляющий собой кольцо с размещенными на нем направляющими лопатками, поверхности которых образуют боковые стенки межлопаточных каналов, причем входные кромки направляющих лопаток размещены над центробежным рабочим лопаточным венцом, а выходные кромки направляющих лопаток размещены над центростремительным рабочим лопаточным венцом.
В рассматриваемой многовенечной радиальной турбине реализовано двумерное течение в зоне расположения промежуточного направляющего аппарата. Протекая через МЛК, поток осуществляет разворот в продольном сечении турбины на 180°, изменяя направление с центробежного на центростремительное. Одновременно с этим, поток приобретает заданный угол закрутки в поперечном сечении турбины. Направляющие лопатки, поверхности которых образуют боковые стенки МЛК, выполнены с внутренней стороны упомянутого кольца. Это является причиной того, что установка кольцевого барьера, отделяющего поток в промежуточном направляющем аппарате от диска рабочего колеса, конструктивно неосуществима. Из-за отсутствия кольцевого барьера происходит взаимодействие потока с наружной поверхностью диска рабочего колеса, вызывающее значительные потери от трения, отрывов потока от боковых стенок МЛК и утечек потока из промежуточного направляющего аппарата.
Выполнение направляющих лопаток с внутренней стороны упомянутого кольца сопряжено с существенными геометрическими ограничениями по расположению МЛК и в большинстве случаев требует подготовки специального инструмента.
Задача, решаемая предлагаемой полезной моделью, - усовершенствование многовенечной радиальной турбины.
Технический результат от использования полезной модели заключается в повышении аэродинамической эффективности и улучшении технологичности многовенечной радиальной турбины.
Указанный результат достигается тем, что в многовенечной радиальной турбине, содержащей корпус, центробежный сопловой аппарат, вал, рабочее колесо, установленное на валу и выполненное в виде диска, на двух боковых поверхностях которого размещены рабочие лопаточные венцы, причем на боковой поверхности диска рабочего колеса, обращенной к центробежному сопловому аппарату, размещен центробежный рабочий лопаточный венец, а на второй боковой поверхности диска рабочего колеса размещен центростремительный рабочий лопаточный венец, и промежуточный направляющий аппарат, охватывающий рабочее колесо по периферии и установленный с зазором по отношению к последнему, представляющий собой кольцо с размещенными на нем направляющими лопатками, поверхности которых образуют боковые стенки межлопаточных каналов, причем входные кромки направляющих лопаток размещены над центробежным рабочим лопаточным венцом, а выходные кромки направляющих лопаток размещены над центростремительным рабочим лопаточным венцом, направляющие лопатки выполнены с периферийной стороны упомянутого кольца и заключены в кожух, закрепленный в корпусе, причем внутренняя поверхность кожуха образует наружные стенки межлопаточных каналов, а периферийная поверхность кольца образует внутренние стенки последних.
В многовенечной радиальной турбине боковые стенки межлопаточных каналов могут быть расположены во взаимно параллельных плоскостях с заданным эксцентриситетом в поперечном сечении турбины относительно оси вращения рабочего колеса.
На фиг.1 приведено продольное сечение многовенечной радиальной турбины. На фиг.2 приведено сечение «А-А» на фиг.1. На фиг.3 приведено повернутое сечение «В-В» на фиг.2.
Конструкция многовенечной радиальной турбины включает в себя корпус, состоящий из переднего элемента 1 и заднего элемента 2. В переднем элементе 1 корпуса установлены центробежный сопловой аппарат 3 с соплами 4 и кожух с закрепленным в нем промежуточным направляющим аппаратом, охватывающим рабочее колесо по периферии и установленным с зазором по отношению к последнему. Кожух состоит из двух секций: передней секции 5 и задней секции 6. Промежуточный направляющий аппарат представляет собой кольцо 7 с размещенными на нем направляющими лопатками 8. Промежуточный направляющий аппарат закреплен в кожухе, причем внутренняя поверхность кожуха, имеющая тороидальную форму, образует наружные стенки МЛК 9. Направляющие лопатки 8 промежуточного направляющего аппарата выполнены с периферийной стороны кольца 7. Периферийная поверхность кольца 7, имеющая тороидальную форму, образует внутренние стенки МЛК 9. Поверхности направляющих лопаток 8 образуют боковые стенки МЛК 9.
Рабочее колесо установлено на валу 10 и выполнено в виде диска 11, на двух боковых поверхностях которого размещены рабочие лопаточные венцы. На боковой поверхности диска 11 рабочего колеса, обращенной к центробежному сопловому аппарату 3, размещен центробежный рабочий лопаточный венец 12. На второй боковой поверхности диска 11 размещен центростремительный рабочий лопаточный венец 13. Направляющие лопатки 8 имеют входные кромки 14 и выходные кромки 15, выполненные с заданным эксцентриситетом в поперечном сечении турбины относительно оси вращения рабочего колеса. Входные кромки 14 направляющих лопаток 8 размещены над центробежным рабочим лопаточным венцом 12, а выходные кромки 15 последних - над центростремительным рабочим лопаточным венцом 13.
Канал газовыхлопа 16 размещен в пределах заднего элемента 2 корпуса.
Многовенечная радиальная турбина работает следующим образом. Поток протекает через сопловой аппарат 3 и ускоряется в соплах 4, приобретая центробежное направление движения и заданный угол закрутки в поперечном сечении турбины. Далее поток протекает через центробежный рабочий лопаточный венец 12 и передает часть своей энергии рабочему колесу. Затем поток входит в промежуточный направляющий аппарат и разворачивается в продольном сечении турбины на 180° с центробежного направления движения на центростремительное. Одновременно с этим поток приобретает заданный угол закрутки в поперечном сечении турбины. Далее поток протекает через центростремительный рабочий лопаточный венец 13 и передает оставшуюся часть своей энергии рабочему колесу. Передав энергию рабочему колесу, поток выходит из турбины вдоль вала 10 через канал газовыхлопа 16.
Разворот потока в продольном сечении турбины на 180° с центробежного направления движения на центростремительное происходит в МЛК 9 при взаимодействии с их наружными стенками, образованными внутренней поверхностью кожуха. Периферийная поверхность кольца 7 образует внутренние стенки МЛК 9, которые отделяют поток, протекающий в МЛК 9, от диска 11 рабочего колеса. Внутренние стенки МЛК 9, образованные периферийной поверхностью кольца 7,отделяют поток в промежуточном направляющем аппарате от диска 11 рабочего колеса и, таким образом, устраняют потери, вызванные взаимодействием потока с наружной поверхностью диска 11 рабочего колеса, отрывами потока от боковых стенок МЛК 9 и утечками потока из промежуточного направляющего аппарата. Безударный вход потока в МЛК 9 обеспечивается заданным эксцентриситетом входных кромок 14 в поперечном сечении турбины относительно оси вращения рабочего колеса. Расчетный угол входа потока в центростремительный рабочий лопаточный венец 13 обеспечивается заданным эксцентриситетом выходных кромок 15 в поперечном сечении турбины относительно оси вращения рабочего колеса.
Указанные факторы обеспечивают более высокую аэродинамическую эффективность заявляемой многовенечной радиальной турбины по сравнению с прототипом.
Наиболее технологичной представляется конструкция многовенечной радиальной турбины, в которой боковые стенки МЛК 9 расположены во взаимно параллельных плоскостях. Эксцентриситет входных кромок 14 и выходных кромок 15 направляющих лопаток в поперечном сечении турбины относительно оси вращения рабочего колеса обеспечивается эксцентриситетом боковых стенок МЛК 9 в указанном сечении. Изготовление промежуточного направляющего аппарата не требует подготовки специальных инструментов. В частности, направляющие лопатки 8 могут быть выполнены за одно целое с кольцом 7 дисковой фрезой на периферийной поверхности заготовки. При этом промежуточный направляющий аппарат не имеет геометрических ограничений по расположению МЛК 9.
Выполнение поверхности, формирующей наружные стенки МЛК 9, на вышеупомянутом кожухе значительно упрощает изготовление технологически сложного переднего элемента 1 корпуса.
Из вышесказанного можно сделать выводы, что представленная многовенечная радиальная турбина более технологична по сравнению с прототипом.