ТУРБОМАШИНА

Полезная модель относится к области турбомашин, применяемых в качестве привода малогабаритных агрегатов, в частности пневматических шлифовальных инструментов.
Важнейшими требованиями, предъявляемыми к приводам малогабаритных агрегатов, являются компактность, энергетическая эффективность и технологичность. Турбомашины полностью удовлетворяют указанным требованиям.
Одной из важнейших особенностей турбомашин, ограничивающих область их возможного использования, является высокая скорость потока газа и, соответственно, высокая оптимальная частота вращения вала, при которой достигается максимальный КПД. Снижение оптимальной частоты вращения вала может быть достигнуто за счет применения многоступенчатых турбин со ступенями давления (И.И. Кириллов, А.И. Кириллов. Теория турбомашин, рис. VIII. 6, стр. 250. Л.: «Машиностроение», 1974. - 321 с.). При этом одной из проблем многоступенчатых турбин, требующих своего разрешения, является наличие протечек газа через радиальные зазоры между валом и диафрагмами, разделяющими ступени. Для снижения протечек в многоступенчатых турбинах традиционно применяются бесконтактные лабиринтовые уплотнения (Патент РФ на изобретение №2113596, F01D 11/02, 1998).
В малогабаритных агрегатах бесконтактные лабиринтовые уплотнения имеют крайне низкую уплотняющую способность. Это обусловлено тем, что при уменьшении размеров агрегата величина радиального зазора в бесконтактном лабиринтовом уплотнении технологически не может быть уменьшена в прямой пропорции к его исходным размерам. Как результат, в малоразмерной турбомашине площадь поперечного сечения радиального зазора бесконтактного лабиринтового уплотнения оказывается непропорционально большой по отношению к площади проходного сечения соплового аппарата. Это существенно повышает долю газа, протекающего через уплотнение, по отношению к общему расходу газа через турбомашину и существенно снижает ее энергетическую эффективность.
Снизить протечки газа между ступенями давления турбомашины малогабаритных агрегатов способны контактные уплотнения, такие как уплотнение (Заявка US 2018355735, F01D 11/12, 2018), содержащее неподвижную манжету из антифрикционного материала, плотно прилегающую к выступам лабиринтов, размещенных на вращающемся роторе. Недостатком уплотнения является конструктивная сложность, обусловленная необходимостью обеспечения повышенных требований по взаимной концентричности корпуса, вала, диафрагмы и уплотнительной обоймы, без которой невозможно гарантировать отсутствие заклинивания турбомашины в процессе ее сборки и последующей эксплуатации.
Отсутствие простых и технологичных малоразмерных уплотнений с высокой уплотняющей способностью препятствует применению многоступенчатых турбин со ступенями давления в турбомашинах привода малогабаритных агрегатов.
Повышение технологичности контактных уплотнений возможно за счет применения узлов с центрированием диафрагмы непосредственно по валу, широко применяемых в различных областях техники. Известно контактное уплотнение подшипника скольжения (Авторское свидетельство СССР №184570, F06j, 1966), выполненное в виде установленного на валу уплотнительного пакета, препятствующего протечке жидкой среды по валу. Недостатком конструкции является ее сложность, так как она содержит раздельные радиальное и торцевое уплотнения, а также требует устройства угловой фиксации уплотнительного пакета. Другим недостатком уплотнения является неравномерный износ взаимодействующей с валом поверхности уплотнительной обоймы вследствие провисания уплотнительного пакета под действием собственной массы.
Наиболее близкой к заявляемой по технической сущности и достигаемому результату, выбранной в качестве прототипа, является турбомашина (Авторское свидетельство СССР №250610, F01D 25/24, 1986). Турбомашина содержит корпус, вал с приводом вращения, диафрагму, установленную в пределах корпуса с равномерным радиальным зазором по отношению к последнему, и уплотнительную обойму, установленную с охватом вала по периферии и прикрепленную к диафрагме с ее внутренней стороны.
В турбомашине по прототипу диафрагма крепится к корпусу с помощью первой группы радиальных установочных штифтов, проходящих через радиальный зазор между диафрагмой и корпусом. Аналогичным образом с помощью второй группой радиальных установочных штифтов обойма уплотнения крепится к диафрагме с ее внутренней стороны. Уплотнение является бесконтактным, при этом центрирование уплотнительной обоймы - ее установка в требуемое радиальное положение относительно вала - достигается в процессе сборки с помощью слесарной пригонки двух групп установочных штифтов.
Центрирование является очень трудоемкой, ответственной операцией, так как даже небольшое радиальное смешение уплотнительной обоймы может привести к возникновению сухого трения и быстрому износу сопрягаемых поверхностей. Выполнение центрирования требует специфических профессиональных навыков у слесаря-сборщика, а также наличия специальных приспособлений и дорогостоящих измерительных приборов.
Таким образом, недостатком турбомашины по прототипу, препятствующим ее применению в малогабаритных агрегатах, является низкая технологичность.
Технологическая проблема, решаемая предлагаемой полезной моделью, - усовершенствование турбомашины.
Технический результат от использования полезной модели заключается в повышении технологичности турбомашины.
Указанный результат достигается тем, что в турбомашине, содержащей корпус, вал с приводом вращения, диафрагму, установленную в пределах корпуса с равномерным радиальным зазором по отношению к последнему, и уплотнительную обойму, установленную с охватом вала по периферии и прикрепленную к диафрагме с ее внутренней стороны, уплотнительная обойма установлена с прилеганием к валу, а в радиальном зазоре между диафрагмой и корпусом с охватом диафрагмы по периферии установлено кольцо с поперечным сечением, превышающим по своей радиальной протяженности ширину указанного зазора, выполненное из непроницаемого для газообразной среды эластичного материала.
В турбомашине привод вращения вала может быть выполнен в виде турбины с двумя ступенями давления, которые расположены с противоположных сторон диафрагмы.
На фиг. 1 приведен продольный разрез турбомашины; на фиг. 2 - местное сечение А на фиг. 1 (в увеличенном масштабе); на фиг. 3 - кольцо с поперечным сечением, имеющим форму круга, в недеформированном состоянии (в увеличенном масштабе).
Турбомашина содержит корпус 1, вал 2 с приводом вращения и диафрагму 3, установленную в пределах корпуса 1 с равномерным радиальным зазором по отношению к последнему. К диафрагме 3 с ее внутренней стороны прикреплена уплотнительная обойма 4, установленная с охватом вала 2 по периферии и прилеганием к валу 2. В радиальном зазоре между диафрагмой 3 и корпусом 1 с охватом диафрагмы 3 по периферии установлено кольцо 5 с поперечным сечением, превышающим по своей радиальной протяженности ширину L указанного зазора, выполненное из непроницаемого для газообразной среды эластичного материала.
Привод вращения вала 2 может представлять собой турбину с двумя ступенями давления, которые расположены с двух противоположных сторон диафрагмы 3. При этом первая ступень турбины содержит неподвижно установленный сопловой аппарат 6, прорезающий переднюю стенку 7, и установленное на валу 2 рабочее колесо 8. Вторая ступень турбины содержит неподвижно установленный сопловой аппарат 9, прорезающий диафрагму 3, и установленное на валу 2 рабочее колесо 10 второй ступени. Подводящий патрубок 11 пристыкован к передней стенке 7 напротив соплового аппарата 6. Выхлопные окна 12 выполнены в задней стенке 13. Вал 2 установлен в подшипниках 14 и 15, закрепленных, соответственно, в передней стенке 7 и задней стенке 13.
Наиболее технологичным вариантом формы поперечного сечения кольца 5 является круг, у которого диаметр поперечного сечения D, соответствующий радиальной протяженности кольца 5, превышает ширину L радиального зазора между диафрагмой 3 и корпусом 1. В качестве непроницаемого для газообразной среды эластичного материала, из которой выполнено кольцо 5, могут быть применены, например, резины или силикона.
Турбомашина работает следующим образом. Газ подводится к сопловому аппарату 6 первой ступени, прорезающему переднюю стенку 7, через подводящий патрубок 11, далее ускоряется в сопловом аппарате 6 и, проходя через рабочее колесо 8 первой ступени, передает часть своей энергии валу 2, установленному в подшипниках 14 и 15. Затем газ проходит к сопловому аппарату 9 второй ступени, прорезающему диафрагму 3, далее повторно ускоряется в сопловом аппарате 9 и, проходя через рабочее колесо 10 второй ступени, передает оставшуюся часть своей энергии валу 2. Газ отводится от турбомашины через выхлопные окна 12, выполненные в задней стенке 13.
Между первой и второй ступенью имеет место перепад давлений газа. Протечке газа между ступенями вдоль поверхности вала 2 препятствует уплотнительная обойма 4, центрирование которой производится по наружной поверхности вала 2. При этом диафрагма 3 не фиксируется в радиальном направлении по корпусу 1, так как установлена с радиальным зазором по отношению к последнему. Протечке газа между ступенями через указанный зазор препятствует кольцо 5, выполненное из непроницаемого для газообразной среды эластичного материала.
Как отмечалось выше, кольцо 5 имеет поперечное сечение, превышающее по своей радиальной протяженности ширину L радиального зазора между диафрагмой 3 и корпусом 1. Поэтому при установке в указанный зазор кольцо 5 получает поперечную деформацию, обеспечивающую его плотное прилегание к радиальным образующим указанного зазора и полное перекрытие его поперечного сечения.
Во время работы турбомашины имеет место фрикционное взаимодействие уплотнительной обоймы 4 и вала 2, в процессе которого формируется радиальный зазор между указанными элементами. Зазор имеет крайне малую величину, не превышающую значения допуска на цилиндричность вала 2 в зоне его соприкосновения с уплотнительной обоймой 4. Это обусловливает хорошую уплотняющую способность описываемой конструкции.
В описываемой конструкции отсутствуют повышенные требования по взаимной концентричности корпуса 1, вала 2, диафрагмы 3 и уплотнительной обоймы 4. Это обусловлено тем, что благодаря эластичным свойствам кольца 5 перекрытие радиального зазора между диафрагмой 3 и корпусом 1 обеспечивается даже при некотором взаимном радиальном смещении диафрагмы 3 с уплотнительной обоймой 4 относительно вала 2 и корпуса 1. Соответственно, в процессе сборки заявляемой турбомашины не требуется проведение специальной процедуры центрирования уплотнительной обоймы 4.
Сравнение заявляемой турбомашины и прототипа позволяют сделать вывод о лучшей технологичности заявляемой турбомашины.
Высокая технологичность может способствовать успешному применению заявляемой турбомашины в качестве привода малогабаритных агрегатов, в частности, пневматических шлифовальных инструментов.
Все элементы описанной конструкции могут быть изготовлены на обычном обрабатывающем оборудовании.