ЛОПАТОЧНАЯ МАШИНА
IMPELLER MACHINE

Изобретение относится к машиностроению, а именно к лопаточным машинам, и предназначено для использования в автомобильном, водном, железнодорожном, авиационном транспорте и гибридных силовых установках.
Из уровня техники 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 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 (US, авторское свидетельство, N 1788305, F01C 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.
Известен 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.
Известна лопаточная машина (Патент RU на полезную модель №53723, опубликована 2006.05.27). 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.
Данная лопаточная машина обладает недостаточной удельной мощностью.
Наиболее близкой по конструкции и технической сущности к заявляемой является роторная машина (патент US 3846987 A), содержащая три параллельно установленных цилиндрических вала, крайние из которых вращаются в одну сторону, противоположную вращению среднего вала. На каждом валу закреплены шестерни с лопастями, которые при работе машины входят в зацепление между собой.
К недостаткам данной роторной машины можно отнести недостаточно высокий крутящий момент.
Технический результат предлагаемого изобретения заключается в увеличении крутящего момента и повышении удельной мощности лопаточной машины.
Технический результат достигается тем, что лопаточная машина содержит корпус, по крайней мере, два впускных и два выпускных канала, по крайней мере, три вала, установленных параллельно внутри корпуса, на каждом из которых на одинаковом расстоянии от корпуса в его замкнутом кольцевом канале размещены и жестко закреплены турбинные колеса с лопатками, при этом колеса, размещенные на крайних валах, установлены с возможностью вращения в противоположные стороны относительно колеса, размещенного на среднем валу, а вращение колес осуществляется под действием рабочего тела, поступающего под давлением от автономного источника энергии через впускные каналы внутрь корпуса. При этом расстояние между валами, количество лопаток на колесах и расстояние между ними определяются возможностью свободного взаимного вхождения лопаток крайних колес в межлопаточное пространство среднего турбинного колеса, для обеспечения свободного вращения лопаток, при этом на валах установлены синхронизирующие шестерни, лопатки выполнены плоскими, а автономный источник энергии создает прямое перпендикулярное давление на лопатки колес.
Конструкция лопаточной машины показана на чертеже, где
1 - корпус;
2 - впускные каналы;
3 - первый вал;
4 - второй вал;
5 - третий вал;
6 - синхронизирующие шестерни;
7 - лопатки;
8 - первое турбинное колесо;
9 - второе турбинное колесо;
10 - третье турбинное колесо;
11 - выпускные каналы.
Лопаточная машина содержит корпус 1, впускные каналы 2, обеспечивающие поступление рабочего тела из автономной камеры сгорания (паровой установки) в корпус 1. Внутри корпуса находятся первый вал 3, второй вал 4 и третий вал 5. С внешней стороны корпуса 1 на валах 3, 4, 5 установлены синхронизирующие шестерни 6, обеспечивающие синхронность угловых скоростей элементов механизма лопаточной машины. Лопатки 7 размещены на первом турбинном колесе 8, втором турбинном колесе 9 и третьем турбинном колесе 10, которые симметрично установлены и жестко закреплены на валах 3, 4, 5 внутри корпуса 1.
При этом расстояние между валами 3, 4, 5 и расположение лопаток 7 на турбинных колесах 8, 9, 10 определяется возможностью свободного взаимного вхождения лопаток 7 первого турбинного колеса 8 в межлопаточное пространство второго турбинного колеса 9, а также лопаток 7 второго турбинного колеса 9 в межлопаточное пространство третьего турбинного колеса 10 с минимальным зазором между концом лопатки 7 первого турбинного колеса 8 и поверхностью межлопаточного пространства второго турбинного колеса 9, а также между концом лопатки 7 второго турбинного колеса 9 и поверхностью межлопаточного пространства третьего турбинного колеса 10, обеспечивающим свободное вращение лопаток 7. Причем вращение первого 8 и третьего 10 турбинных колес с лопатками 7 осуществляется в противоположные стороны относительно второго турбинного колеса 9 с лопатками 7. Лопатки турбинных колес 7 находятся в кольцевых каналах корпуса 1. Между лопатками 7 и внутренней поверхностью корпуса 1 в рабочей зоне обеспечивается минимальный зазор, исключающий трение лопаток 7 о стенки корпуса 1. Турбинные колеса 8, 9, 10 закреплены на валах 3, 4, 5 с возможностью поочередного прохождения их лопаток через рабочую зону корпуса. Источник энергии находится вне корпуса лопаточной машины (на чертеже не показан). Посредством выпускных каналов 12 осуществляется выход отработавшего рабочего тела (пара, газа). При этом турбинное колесо среднего вала является основным и служит для отбора мощности, а крайние - вспомогательные.
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 впускные каналы 2. При этом одна из лопаток 7 первого турбинного колеса 8 и третьего турбинного колеса 10, находящаяся в рабочей зоне, занимает положение, при котором ее плоскость параллельна входящему потоку рабочего тела, а плоскость одной из лопаток 7 второго колеса турбины 9, 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 7 первого 8, второго 9 и третьего 10 турбинных колес, закрепленных на параллельно установленных внутри корпуса 1 валах 3, 4, 5. Турбинные колеса 8, 9, 10 закреплены на валах 3, 4, 5 с возможностью поочередного прохождения их лопаток 7 через рабочую зону корпуса 1 и вращаются в противоположные стороны под действием рабочего тела. Лопатки 7 турбинных колес 8, 9, 10 находятся в кольцевых каналах корпуса 1. Между лопатками 7 и внутренней поверхностью корпуса 1 в рабочей зоне обеспечивается минимальный зазор, исключающий трение лопаток 7 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, 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.
Вращение колеса лопаточной машины отличается от существующих тем, что оно вращается за счет прямого перпендикулярного давления рабочего тела на лопатки.
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.
Конструкция колеса лопаточной машины и ее лопатки отличается от существующих колес и лопаток тем, что позволяет использовать прямое перпендикулярное давление рабочего тела (пара, газа) на лопатки, которые находятся в кольцевом канале корпуса лопаточной машины, и этим полноценно использовать энергию рабочего тела, поступающего в корпус лопаточной машины от источника энергии. В связи с этим получаем большой крутящий момент на валу, а также отсутствие осевого давления, приводящего к разрушению подшипников - опоры, вала. Для компактности лопаточной машины диаметр колес, находящихся на крайних валах, выбирают в два раза меньшим, чем диаметр колеса, находящегося на среднем валу. Использование трех валов позволяет увеличить мощность лопаточной машины (по сравнению с прототипом) в два раза.
Существующие турбинные колеса вращаются за счет кинетической энергии рабочего тела, поступающего на лопатки. Вращение колеса лопаточной машины отличается от существующих тем, что оно вращается за счет прямого перпендикулярного давления рабочего тела на лопатки. Лопаточная машина отличается от существующих тем, что может быть использована как пневмо-, гидро-компрессор, насос, в гидропередачах.
Универсальный силовой узел для всех видов транспорта и стационара.
Преимущество лопаточной машины над существующими тепловыми двигателями состоит в том, что он очень простой по конструкции, имеет при малых габаритах огромный крутящий момент на выходном валу и широкий диапазон частоты вращения вала, не требует смазки, долговечен в работе, надежный.
Варианты технологии конструкции двигателя по назначению: паровой, газовый, парогазовый.
Пример 1. Двигатель с рабочим колесом диаметром 20 см, длиной по оси 15 см при полностью заторможенном вале, при поддержании давления в камере сгорания 30 атмосфер будет иметь крутящий момент на выходном валу 125 кГ/М.
Удельная мощность - менее 100 граммов на одну лошадиную силу.
Взаимотрущиеся элементы отсутствуют, кроме подшипников качения - опоры вала, что обеспечивает большой мото-ресурс двигателя.
Не нужна смазка и система жидкого охлаждения. Не требуется редуктор, сам двигатель является газодинамической коробкой скоростей, обеспечивая силовой и скоростной эффекты вала. Низкая температура на запуск двигателя не влияет, т.к. замерзать нечему. Силовое колесо можно изготавливать из керамики. Запуск двигателя - мгновенный, искровой, обороты набирает мгновенно (без прогрева) с огромным крутящим моментом на валу. При любых механических перегрузках самопроизвольное заглохание работы двигателя исключено, имеет абсолютную защиту надежности работы. Топливо - газообразное, жидкое, твердое.
Лопаточная машина с автономной камерой сгорания может быть использована как бесшумный компрессор (насос).